DE3642262A1 - Schaltkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplung mit einer Antriebswelle, einem diese konzentrisch umgebenden Hydraulikzylinder mit einem darin axial verschieblich gelagerten, die Kupplung betätigenden ringförmigen Arbeitskolben und einem sich zwischen Arbeitskol­ ben und Hydraulikzylinder befindenden Druckraum mit einer Druckmittelzuführöffnung.

Als Schaltkupplungen werden bevorzugt Lamellenkupplungen ver­ wendet, da diese eine kleine Baugröße aufweisen und preisgün­ stig herzustellen sind. Als Druckmedium dient entweder Druck­ luft oder Drucköl. Diese Kupplungen haben einen weitgehend ein­ heitlichen Aufbau, wobei ein die Antriebswelle umgebender Zy­ linderraum vorgesehen ist, in dem der die Kupplung betätigende Arbeitskolben axial beweglich gelagert ist. Zwischen dem Ar­ beitskolben und dem Zylinderboden befindet sich der ringförmige Druckraum, der zum Schließen der Kupplung mit dem Druckmedium beaufschlagt wird. Dieser Druckraum weist eine meist radial in der Antriebswelle angeordnete Druckmittelzuführöffnung auf, über die das Drucköl bzw. -gas, das der Antriebswelle axial am freien Wellenende durch eine Bohrung aufgegeben wird, zugeführt und wieder entnommen wird. Zum Schließen der Kupplung wird über eine Pumpe Druckmittel zugeführt und der Arbeitskolben axial bewegt. Das Lüften der Kupplung erfolgt über Lüftfedern, die den Kolben in den Druckraum schieben, wobei das Druckmittel, bei abgeschalteter Pumpe, über die Zuführleitung verdrängt wird.

Wird als Druckmittel Druckgas, z. B. Luft verwendet, so entweicht dieses nahezu schlagartig, eventuell über einen Schalldämpfer, und der Arbeitskolben kann ungehindert in die Ausgangslage zu­ rücklaufen. Bei der Verwendung von Drucköl muß dieses von den Lüftfedern verdrängt werden, da Öl, im Vergleich zu den gasför­ migen Medien, eine wesentlich größere Masse besitzt und eine ge­ wisse Viskosität aufweist. Neben dem Umstand, daß das Öl bewegt bzw. beschleunigt werden muß, kann auch dieses nicht immer so­ fort ins Freie geleitet werden, sondern ist in Sammelbehälter aufzufangen, in die es durch Leitungen zu führen ist, wobei die Leitungen zusätzliche Drosselstellen darstellen. Dem zurücklau­ fenden Arbeitskolben wirken somit diese vom zu verdrängenden Druckmedium ausgehenden Kräfte entgegen, so daß es bei ungün­ stigen Bedingungen zum Verkanten des Kolbens kommt, und dieser seine Ausgangsstellung nicht erreicht. Das kann dazu führen, daß die Kupplung nicht vollständig ausschaltet. Ein Verklemmen des Arbeitskolbens wird dadurch noch begünstigt, daß das Druck­ öl nur durch die in der Antriebswelle vorgesehene Öffnung ab­ fließen kann und daher eine ungleichmäßige Strömung im Druck­ raum erzeugt wird. Eine zweite Öffnung vorzusehen, so daß das Öl gleichmäßig abfließen kann, ist nicht in allen Fällen reali­ sierbar. Ein weiterer, das Verklemmen des Arbeitskolbens begün­ stigender Umstand ist der, daß das Öl bei umlaufender Kupplung entgegen seiner Zentrifugalkraft abgeführt werden muß. Bei im geschlossenem Zustand sich befindender Kupplung erfährt das Drucköl im Druckraum aufgrund der Rotation eine radiale von der Antriebswelle weg weisende Kraftkomponente. Da aber die Abfluß­ öffnung in der Antriebswelle angeordnet ist, muß das Öl entge­ gen dieser Fliehkraft bewegt und abgeführt werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte hydraulisch geschaltete Kupplung derart weiterzubil­ den, daß beim Lüften der Kupplung kein Verkanten des Arbeits­ kolbens eintritt und daß ein schnelles Lüften erfolgt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch wenigstens zwei gleichmäßig zur Achse des Hydraulikzylinders verteilt angeord­ nete und mit dem Druckraum des Hydraulikzylinders verbundene Entspannungsventile mit je einem eine Druckmittel-Abströmlei­ tung bei Druckbeaufschlagung des Druckraums sperrenden und nach Druckabfall im Druckraum freigebenden Steuerkolben.

Neben der Druckmittel-Zuführöffnung in der Antriebswelle sind zusätzlich zwei Entspannungsventile vorgesehen, die mit dem Druckraum des Arbeitskolbens verbunden sind. Die Entspannungs­ ventile sind dabei derart angeordnet, daß sie gleichmäßig auf einem zur Antriebswelle konzentrischen Kreis stehen und einen gleichförmigen Abfluß des Hydraulikmediums bewirken. Da die Strömung des abfließenden Öls gleichmäßig erfolgt, tritt kein Verkanten des Arbeitskolbens auf, so daß dieser vollständig in seine Ausgangslage zurückkehren kann.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß das Öl durch zwei zusätzliche Auslaßleitungen abfließen kann, wodurch das Lüften der Kupplung aufgrund des insgesamt größeren Abflußquerschnitts schneller erfolgt. Eine weitere Querschnittsvergrößerung kann einfach durch zusätzliche Entspannungsventile erreicht werden, wobei jedoch alle Ventile gleichmäßig verteilt anzuordnen sind.

Die Entspannungsventile sind derart ausgebildet, daß sie bei gelüfteter Kupplung ständig offen, d. h. die Abströmleitung freigebend sind und erst bei Druckbeaufschlagung des Druckraums diese verschließen. Die Ventile sind so ausgelegt, daß sie im wesentlichen gleichzeitig ansprechen.

Vorteilhaft sind die Entspannungsventile im Boden des Hydrau­ likzylinders vorgesehen. Dadurch, daß die Entspannungsventile im radial äußeren Bereich des Druckraums angeordnet sind, wird das sich im Druckraum befindende Fluid rascher abgeführt, da es aufgrund der Zentrifugalkraft ebenfalls in den radial äußeren Bereich des Druckraums gedrängt wird. Das Abströmen erfolgt so­ mit nahezu selbständig unter der Einwirkung der Fliehkraft und wird lediglich durch den Kolbendruck des zurücklaufenden Ar­ beitskolbens unterstützt. Diese Anordnung bietet außerdem den Vorteil, daß das Druckmedium restlos austreten kann, und dadurch die vom Werkstoff des Kolbens und des Zylinders gegebene mögli­ che Betriebsdrehzahl der Kupplung besser ausgenutzt werden kann, ohne daß ein unkontrolliertes Einschalten der Kupplung durch restliches Öl stattfindet.

Gemäß einer einfachen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der Steuerkolben eine Lüftfeder für dessen Offenstellung aufweist. Die Lüftfeder ist dabei derart ausgelegt, daß sie bei Druckab­ fall im Druckraum den Steuerkolben in die Ruhelage, d. h. in die Offenstellung bewegt, so daß die Abflußleitungen für das Druck­ medium freigegeben werden.

Vorteilhaft ist die Achse des Steuerkolbens parallel zur Achse des Arbeitskolbens angeordnet. Bei einem derart angeordneten Steuerkolben und rotierendem Hydraulikzylinder wirkt sich die Kolbenmasse und somit die an ihm wirkende Zentrifugalkraft nicht nachteilig auf den Bewegungsablauf aus, da die Bewegungs­ richtung nicht radial, d. h. in Richtung der Zentrifugalkraft, sondern senkrecht dazu ist.

Eine sofortige Bewegung des Steuerkolbens bei Druckbeaufschla­ gung des Druckraums wird vorteilhaft dadurch erreicht, daß die vom Druckmedium beaufschlagte Fläche des Steuerkolbens größer als die Querschnittsfläche der Abströmleitung ausgebildet ist.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, daß der Boden des Hydraulikzylinders einen Durchbruch zur Festle­ gung eines den Steuerkolben führenden, zum Druckraum offenen Gehäuses aufweist. Dieses im Boden des Hydraulikzylinders fest­ gelegte Gehäuse dient als Lager für den Kolben und trägt zudem dessen Lüftfeder.

Bei einer anderen Ausführung weist der Boden des Hydraulikzy­ linders einen den Steuerkolben führenden Durchbruch auf. Hier dient der Boden des Hydraulikzylinders selbst als Führung für den Steuerkolben.

Eine vorteilhafte Ausbildung sieht vor, daß der Steuerkolben eine in seiner Offenstellung die Abströmleitung mit dem Druck­ raum des Hydraulikzylinders verbindende Ringnut aufweist, und mit einem in Schließstellung den freien Querschnitt der Ab­ strömöffnung überdeckenden Sperrabschnitt versehen ist. Die Ab­ strömleitung ist dabei so angeordnet, daß sie vom Steuerkolben orthogonal durchgriffen wird, d. h. die Leitungsachse und die Kolbenachse schneiden sich rechtwinklig.

In Offenstellung, die durch die Lüftfeder gehalten wird, ist in der den Druckraum z. B. mit einem Sammeltank verbindenden Ab­ strömleitung der Steuerkolben derart angeordnet, daß ihn das Druckmedium durch Umfließen in der Ringnut ungehindert umströ­ men kann. In der Schließstellung, die er durch eine axiale Ver­ schiebung erreicht, ist in der Abströmleitung nunmehr der Sperrabschnitt angeordnet, so daß ein Abströmen von Druckmedium verhindert wird.

Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß der mit der Ringnut versehene Bereich des Steuerkolbens mit einer Quer­ bohrung versehen ist, und die Querbohrung mit einem axialen Durchbruch mit dem Druckraum in Verbindung steht. Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, daß die Ringnut des Steuerkol­ bens mit ein oder mehreren gleichmäßig verteilt angeordneten achsparallelen Durchbrüchen mit dem Druckraum verbunden ist. Die Abströmleitung beginnt bei diesen Ausführungsbeispielen erst ab der Führung des Steuerkolbens im Bereich von dessen Ringnut und führt von dort ins Freie. Die Verbindung der Ab­ strömleitung zum Druckraum erfolgt über im Steuerkolben selbst vorgesehene Durchbrüche. In der Offenstellung des Steuerkolbens fließt das Medium zuerst durch die Durchbrüche des Kolbens über die Ringnut und von dort in die Abströmleitung. In Schließstel­ lung ist die Öffnung der Abströmleitung über den Sperrabschnitt des Kolbens verschlossen, so daß das Druckmedium zwar in den Kolben einströmen, aber über die Quernut nicht abströmen kann, da diese axial verschoben und sich somit außerhalb der Öffnung der Abströmleitung befindet. Diese Ausführungsbeispiele haben den Vorteil, daß der Hydraulikzylinder preisgünstig herzustel­ len ist, da nur eine von den Steuerkolben wegführende Abführ­ leitung vorzusehen ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung einzeln erläutert sind. Da­ bei zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht eines Längsschnitts durch eine hydraulisch geschaltete Kupplung mit im Boden des Hydraulikzylinders angeordnetem Entspannungsven­ til,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein Entspannungsventil gemäß Fig. 1 mit einem anders ausgebildeten Steuerkol­ ben und

Fig. 3 einen Schnitt durch ein Entspannungsventil, wobei der Steuerkolben direkt im Boden des Hydraulik­ zylinders gelagert ist.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Kupplung (1) ist eine Antriebs­ welle (2) von einem ringförmigen Hydraulikzylinder (3) über­ griffen, in dem ein Arbeitskolben (4) axial geführt ist. Der Arbeitskolben (4) ist ebenfalls ringförmig ausgebildet und um­ greift die Antriebswelle (2). Zwischen dem Hydraulikzylinder (3) und dem Arbeitskolben (4) ist ein Druckraum (5) vorgesehen, in dem Druckmittel, z. B. Drucköl über eine radial in der Antriebs­ welle (2) vorgesehene Zuführleitung (6) eingebracht werden kann. Der Arbeitskolben (4) ist in seiner Ruhelage gezeigt, in der er über Lüftfedern (7), die vorteilhaft gleichmäßig über den Umfang der Antriebswelle (2) verteilt angeordnet sind, ge­ halten wird. In der Schließstellung, in der er durch Bewegung in Richtung des Pfeiles (8) gelangt, drückt der Arbeitskolben (4) auf eine Druckplatte (9) der Kupplung (1), die in einer Zahnführunng (10) axial verschieblich gelagert ist. Eine Abdich­ tung des Druckraums (5) gegenüber der Atmosphäre erfolgt über Dichtungen (11), die zwischen den Mantelflächen der Antriebs­ welle (2), des Arbeitskolbens (4) und des Hydraulikzylinders (3) vorgesehen sind.

Im Boden (12) des Hydraulikzylinders (3) ist ein Durchbruch (13) vorgesehen, in dem ein Entspannungsventil (14) eingesetzt ist. Das Entspannungsventil (14) weist ein zur Antriebswelle (2) axial in den Boden (12) eingesetztes Gehäuse (15) auf, das vom Druckraum (5) her einzuführen ist. In dem Gehäuse (15) ist ein Steuerkolben (16) axial beweglich gelagert und von einer Lüftfeder (17) in Ruhestellung gehalten. Dabei liegt er an ei­ nem Anschlag (18) an, der z. B. von einem Sicherungsring gebil­ det ist. Der Steuerkolben (16) weist eine Ringnut (19) auf, die eine Abströmleitung (20) mit einem Durchbruch (21) im Boden (12) des Hydraulikzylinders (3) verbindet. Das Gehäuse (15) ist mit zur Abströmleitung (20) und zum Durchbruch (21) fluchtenden Öffnungen (22) versehen. Vorteilhaft weist der Steuerkolben (16) eine axiale Bohrung (23) auf, in der die Lüftfeder (17) gelagert ist, die sich ihrerseits am Boden des Gehäuses (15) abstützt. Der Boden des Gehäuses (15) weist eine Entlüftungs­ öffnung (24) auf, so daß der Steuerkolben (16) ungehindert im Gehäuse (15) bewegbar ist.

Der Steuerkolben (16) ist neben der Ringnut (19) mit einem Sperrabschnitt (25) versehen, der einerseits zum Lagern des Steuerkolbens (16), andererseits zum Absperren der Abströmöff­ nung der Abströmleitung (20) dient, sobald der Steuerkolben (16) sich in Schließstellung befindet. Dabei überdeckt der Sperrabschnitt (25) sowohl die Öffnung der Leitung (20) als auch die des Durchbruchs (21) bzw. die Öffnungen (22) des Ge­ häuses und unterbricht somit ein Abströmen von Druckmedium aus dem Druckraum (5).

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Ent­ spannungsventil (14) ebenfalls ein in den Boden (12) des Hy­ draulikzylinders (3) eingesetztes Gehäuse (15) auf, und es ist ebenfalls eine Abströmleitung (20) mit Öffnung (22) im Gehäuse (15) vorgesehen. Der Steuerkolben (16) ist ebenfalls mit einer Ringnut (19) versehen, die in Ruhelage des Kolbens (16) im Be­ reich der Öffnung (22) des Gehäuses (15) liegt. Abweichend von dem Kolben (14) der Fig. 1 ist bei dem der Fig. 2 im Bereich der Ringnut (19) eine Querbohrung (26) vorgesehen, die über eine axiale Bohrung (27) die Ringnut (19) und somit die Abfluß­ leitung (20) mit dem Druckraum (5) verbindet. Die axiale Boh­ rung (27) ist im Sperrabschnitt (25) des Steuerkolbens (16) vorgesehen. Gegen ein Verdrehen des Gehäuses (15) ist dieses mit einer nicht dargestellten Sicherung ausgestattet.

Die Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Entspannungs­ ventils (14), bei dem der Steuerkolben (16) aber direkt im Durchbruch (21), d. h. im Boden (12) des Hydraulikzylinders (3) axial verschieblich gelagert ist. Die nach außen weisende Öff­ nung des Durchbruchs (21) ist z. B. mit einem Sicherungsring (28) o. dgl. verschlossen. Die Abströmleitung (20) ist über die Ringnut (19) des Steuerkolbens (16) mit im Sperrabschnitt (25) parallel zur Kolbenachse angeordneten Durchbrüchen (29) mit dem Druckraum (5) verbunden. Diese Ausführungsform hat den wesent­ lichen Vorteil, daß das Steuerventil (16) von außen durch Ent­ fernen des Sicherungsrings (28) einsetzbar und entnehmbar ist. In der Ruhestellung liegt der Kolben (16) an einem vom Hydrau­ likzylinder (3) gebildeten Anschlag (18) an.

Die Arbeitsweise des Entspannungsventils (14) wird nachfolgend erläutert:

Zum Schließen der Kupplung (1) wird über die Zuführleitung (6) Druckmittel dem Druckraum (5) zugeführt und dieser somit mit Druck beaufschlagt, wobei der Druckanstieg sehr schnell er­ folgt. Dieser Druckanstieg bewirkt eine Verschiebung des Steu­ erkolbens (16) entgegen der Richtung des Pfeils (8), so daß der Sperrabschnitt (25) zwischen den Öffnungen (22) zu liegen kommt und die Abströmleitung (20) vom Durchbruch (21) trennt. Gleich­ zeitig bewegt sich der Arbeitskolben (4) in Richtung des Pfeils (8) und schließt über die Druckplatte (9) die Kupplung (1).

Zum Lüften der Kupplung (1) wird die Druckmittelpumpe (nicht dargestellt) abgeschaltet, so daß Druckmittel durch die Leitung (6) entweichen kann, wodurch ein Druckabfall im Druckraum (5) bewirkt wird. Es herrscht nur noch der von den Lüftfedern (7) und (17) über die Kolben (4) und (16) auf das Druckmedium aus­ geübte Druck sowie der, der durch die Zentrifugalkraft des Druckmittels erzeugt wird. Die Lüftfedern (17) sind so ausge­ legt, daß sie ein Verschieben des Steuerkolbens (16) bei diesen Druckverhältnissen im Druckraum (5) bewirken. Sobald die Ring­ nut (19) die Abströmleitung (20) und den Durchbruch (21), bzw. die Abströmleitung (20) mit den Durchbrüchen (27) oder (29) verbindet, strömt Druckmittel nahezu ungehindert ins Freie bzw. in einen Sammeltank ab. Die Entspannungsventile (14) sind im Boden (12) des Hydraulikzylinders (3) derart angeordnet, daß sie ein gleichmäßiges Abströmen des Druckmediums bewirken. Bei der Verwendung von zwei Ventilen (14) sind diese mit einem Win­ kelunterschied von 180°, bei drei Ventilen (14) mit einem Win­ kelunterschied von 120° versetzt angeordnet.

Das Abströmen des Druckmediums wird dadurch noch unterstützt, daß die Zentrifugalkraft etwa in Abströmrichtung wirkt, so daß ein schnelles Entleeren des Druckraums (5) und somit ein schnelles Lüften der Kupplung (1) gewährleistet ist.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Steuerkolben (16) sind die axi­ alen Durchbrüche (29) radial weit entfernt von der Antriebswel­ le (2) vorgesehen, bzw. befinden sich unmittelbar an der äuße­ ren Begrenzungswand des Druckraums (3), so daß auch diejenigen Restmengen von Drucköl austreten können, die durch die Flieh­ kraft im Druckraum (5) radial weit nach außen abgelenkt wurden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß der Druckraum (5) nahezu vollständig entleert wird und somit kein unkontrolliertes bzw. unzeitiges Einschalten der Kupplung (1) eintritt.

Claims (12)

1. Kupplung mit einer Antriebswelle, einem diese konzen­ trisch umgebenden Hydraulikzylinder mit einem darin axial ver­ schieblich gelagerten, die Kupplung betätigenden ringförmigen Arbeitskolben und einem sich zwischen Arbeitskolben und Hydrau­ likzylinder befindenden Druckraum mit einer Druckmittelzuführ­ öffnung, gekennzeichnet durch wenigstens zwei gleichmäßig zur Achse des Hydraulikzylinders (3) verteilt angeordnete und mit dem Druckraum (5) des Hydraulikzylinders (3) verbundene Ent­ spannungsventile (14) mit je einem eine Druckmittel-Abströmlei­ tung (20) bei Druckbeaufschlagung des Druckraums (5) sperrenden und nach Druckabfall im Druckraum (5) freigebenden Steuerkolben (16).

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannungsventile (14) im Boden (12) des Hydraulikzylin­ ders (3) vorgesehen sind.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Entspannungsventile (14) im radial äußeren Bereich des Hydraulikzylinders (3) angeordnet sind.

4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Steuerkolben (16) eine Lüftfeder (17) für dessen Offenstellung aufweist.

5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Achse des Steuerkolbens (16) parallel zur Achse des Arbeitskolbens (4) angeordnet ist.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die vom Druckmedium beaufschlagte Fläche des Steuerkolbens (16) größer als die Querschnittsfläche der Ab­ strömleitung (20) ausgebildet ist.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Boden (12) des Hydraulikzylinders (3) ei­ nen Durchbruch (13) zur Festlegung eines den Steuerkolben (16) führenden, zum Druckraum (5) hin offenen Gehäuses (15) aufweist.

8. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Boden (12) des Hydraulikzylinders (3) ei­ nen den Steuerkolben (16) führenden Durchbruch (13) aufweist.

9. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Steuerkolben (16) eine in seiner Offen­ stellung die Abströmleitung (20) mit dem Druckraum (5) des Hy­ draulikzylinders (3) verbindende Ringnut (19) aufweist.

10. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Steuerkolben (16) mit einem in Schließ­ stellung den freien Querschnitt der Abströmleitung (20) über­ deckenden Sperrabschnitt (25) versehen ist.

11. Kupplung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß der mit der Ringnut (19) versehene Bereich des Steuer­ kolbens (16) mit einer Querbohrung (26) versehen ist, und die Querbohrung (26) mit einem axialen Durchbruch (27) mit dem Druckraum (5) in Verbindung steht.

12. Kupplung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ringnut (19) des Steuerkolbens (16) mit ein oder mehreren gleichmäßig verteilt angeordneten achsparallelen Durchbrüchen (29) mit dem Druckraum (5) verbunden ist.