DE3821773A1 - Kupplungsvorrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrich­ tung, insbesondere für ein Fahrzeug, die eine Steuerung für das zwischen antreibenden und angetriebenen Wellen, die durch die Kupplung verbunden sind, übertragene Dreh­ moment aufweist.

Die Drehmomentbelastung der Räder auf gegenüberliegenden Seiten eines Fahrzeuges wechseln in Abhängigkeit von dem Steuerungszustand oder -winkel. Um damit fertig zu werden, sind vierradangetriebene Fahrzeuge mit einer guten Steuerungsfähigkeit angegeben worden, die eine viskose Kupplung oder dergleichen aufweisen, um schnelle Veränderungen in der Umdrehungsgeschwindigkeit zwischen den Rädern auszugleichen, um so die Steuerung zu stabili­ sieren, inbesondere in einer Kurve der Straße. In einem Fahrzeug mit lediglich einem herkömmlichen Diffe­ rentialgetriebe würden die Widerstände zu den Rädern nicht ausgeglichen werden.

Die oben erwähnte viskose Kupplung ist eine Form einer Flüssigkeitskupplung, die bei einem übermäßigen Dreh­ moment rutscht. Sie kann schnelle Drehmomentschwankungen dämpfen, aber sie kann den Dämpfungsgrad nicht steuern, weil der Grad durch die Eigenschaften der Flüssigkeit bestimmt wird.

Es ist eine Hauptaufgabe dieser Erfindung, eine Kupp­ lungsvorrichtung zum Steuern des Übertragungs- oder Rutschgrades der Kupplung nach dem Willen eines Bedie­ ners anzugeben.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Kupp­ lungsvorrichtung zum Übertragen oder Verteilen von va­ riablen Drehmomenten auf die Räder auf gegenüberliegen­ den Seiten eines Fahrzeuges anzugeben, um so die Steue­ rung des Fahrzeuges zu stabilisieren, insbesondere in einer Kurve.

Eine Kupplungsvorrichtung gemäß dieser Erfindung ist zwischen einer Antriebs- und einer angetriebenen Einrich­ tung eingefügt. Eine der Einrichtungen weist eine erste Welle auf, die eine Muffe aufweist. Die andere Einrich­ tung weist eine zweite Welle auf, die sich parallel zu der Muffe erstreckt und teilweise von ihr umgeben ist. Eine der Wellen ist durch einen Rahmen gelagert. Die andere Welle ist durch einen Träger gelagert, der an dem Rahmen gehalten ist und in Radialrichtung der Welle beweglich ist. Die inneren Umfangsseite der Muffe oder die äußere Umfangsseite der zweiten Welle ist mit einer Umfangsnut in sich ausgebildet, die im axialen Querschnitt im wesentlichen V-förmig ist. Die andere der beiden Umfangsseiten hat einen darauf axial ver­ schiebbaren, aber winkelmäßig dazu fixierten Ring, der im wesentlichen V-förmig im axialen Querschnitt ist. Der Ring ist innerhalb der Nut angeordnet. Die Wellen können durch Bewegen des Trägers in Radialrichtung ver­ setzt werden. Als ein Ergebnis wirken Ring und Nut keil­ artig, um den Kontaktdruck zwischen ihnen zu variieren, um dadurch das zwischen den Wellen übertragene Drehmoment zu verändern.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Teils des Hinterrad- Antriebsmechanismus eines vierradangetriebenen Fahrzeuges, der die Vorrichtung gemäß der Erfin­ dung aufweist,

Fig. 2 einen Schnitt 2-2 nach Fig. 1,

Fig. 3 und 4 Seitenansichten der beiden Typen von Kupplungs­ scheiben, die in der in Fig. 1 und 2 gezeigten vorrichtung enthalten sind,

Fig. 5 eine vergrößerte Ansicht des Teils innerhalb des in Fig. 1 gezeigten Kreises 5,

Fig. 6 eine Teil-Schnittansicht der beiden Typen der Keil-Scheiben und eine der Kupplungsscheiben, die in der Vorrichtung enthalten sind, und

Fig. 7 eine Endansicht entlang der Linie 7-7 nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt den Antriebsmechanismus, der eine Antriebs­ welle (nicht gezeigt) aufweist, die mit einem Kegelzahn­ rad 12 verbunden ist und in ihm endet. Dieses Zahnrad 12 ist in antreibendem Eingriff mit einem ringförmigen Kegelzahnrad 14, das mit einem Flansch 16 verschraubt ist, der auf dem rechten Ende einer Muffe 18 gebildet ist. An jedes Ende der Muffe 18 ist ein Ring 20 ge­ schraubt, der durch ein abgeschrägtes Kugelllager 22 auf und innerhalb eines Rahmens 24 gelagert ist, so daß die Muffe 18 auf dem Rahmen 24 drehbar ist.

Wie in Fig. 2 gezeigt, hat die Muffe 18 Evolventenkeile 28 auf ihrem inneren Umfang. An dieser inneren Wand sind, beispielsweise durch Schweißung 27, ein Paar axial voneinander entfernter ringförmiger Unterteilungen 26 (Fig. 1) befestigt, die der axialen Mitte der Muffe 18 benachbart sind.

Eine angetriebene Welle oder Achse 30 erstreckt sich ungefähr koaxial durch den Ring 20 an jedem Ende der Muffe 18 mit einem leichten peripheren Abstand (nicht gezeigt) und einer Dichtung 31 dazwischen. Jede Achse 30 hat einen inneren Endteil 29 mit vermindertem Durch­ messer, der in die Muffe 18 bis ungefähr der axialen Mitte der Muffe und den Unterteilungen 26 hineinragt. Der innere Endteil 29 jeder Achse 30 hat äußere Evolven­ tenkeile 32 (Fig. 2 und 5), die auf seinem äußeren Umfang gebildet sind.

Wie am besten in Fig. 5 zu sehen, kämmen die inneren Keile 28 an jedem Ende der Muffe 18 mit äußeren Umfangs­ zähnen einer Keilscheibe 34. Jede Keilscheibe hat einen Innendurchmesser, der größer ist als der Außendurchmesser der Achsenkeile 32, so daß die Scheiben 34 einen Abstand von den Keilen 32 haben. Die axial äußere Oberfläche jeder Scheibe 34 berührt die axial innere Oberfläche des benachbarten Muffenendringes 20.

Wie in Fig. 6 gezeigt, ist die innere Oberfläche jeder Keilscheibe 34 sphärisch konkav und hat einen Krümmungs­ radius R 1, dessen Mittelpunkt auf der Achse der Scheibe 34 und der Muffe 18 liegt, wobei der Radius in bezug auf den Durchmesser der Scheibe ziemlich groß ist. Die Scheibe 34 wird in der radial inneren Richtung dünner.

Eine weitere Keilscheibe 36 ist benachbart der konkaven Oberfläche einer jeden Scheibe 34 angeordnet. Jede Schei­ be 36 hat innere Umfangszähne, die mit den Keilen 32 der benachbarten Achse 30 kämmen. Jede Scheibe 36 hat einen Außendurchmesser, der kleiner ist als der Innen­ durchmesser der Muffenkeile 28, so daß sie einen Abstand von den Keilen 28 haben. Jede Scheibe 36 hat eine axial innen gelegene, radial plane Oberfläche. Die axial äuße­ re Oberfläche einer jeden Keilscheibe 36 ist sphärisch konvex mit einem Krümmungsradius R 2, dessen Mittelpunkt auf der Achse der Scheibe 36 liegt, wobei der Radius R 2 etwas kleiner ist als der Radius R 1. Jede Scheibe 36 wird radial nach außen dünner.

Zwei Sätze von dünnen Kupplungscheiben 38 und 40 sind zwischen jeder Keilscheibe 36 und der benachbarten ring­ förmigen fixierten Unterteilung 26 angeordnet, wobei die Scheiben der beiden Sätze zwischeneinander geschich­ tet sind. In einem Satz von Kupplungsscheiben 38 hat jede Scheibe eine äußere ringförmige Umfangsvergrößerung 42 (Fig. 3, 6), die axial nach innen ragt, die mit äuße­ ren Umfangszähnen ausgebildet ist, die mit den Muffen­ keilen 28 kämmen. Die Kupplungsscheiben 38 haben einen Innendurchmesser, der im wesentlichen der gleiche ist wie der der äußeren Keilscheibe 34. In dem anderen Satz von Kupplungsscheiben 40 hat jede Scheibe eine innere Umfangsvergrößerung 44 (Fig. 4), die axial nach außen ragt und mit inneren Umfangszähnen ausgebildet ist, die mit den Achsenkeilen 32 kämmen. Die Kupplungsscheiben 40 haben einen Außendurchmesser, der im wesentlichen der gleiche ist wie der der inneren Keilscheiben 36. Somit ist der Satz von Scheiben 38 mit der Muffe 18 verbunden, und der Satz der Scheiben 40 ist mit den Achsen 30 verbunden.

Die Vergrößerungen 42 und 44 sind geringfügig dünner als das Doppelte der Dicke der verbleibenden flachen Teile der Kupplungsscheiben 38 und 40. Diese dünneren Teile berühren einander, um dabei die Gesamtdicke der Kupplungsscheiben zu vermindern und die Vorrichtung kompakt zu machen.

Somit bildet jede Keilscheibe 34 eine V-förmige Nut zwischen ihrer konkaven axial inneren Oberfläche und den Reibungsscheiben 38 und 40, und die anderen Keil­ scheiben 36 sind in den V-förmigen Nuten angeordnet.

Wie in Fig. 1 gezeigt, sind die Innenenden der beiden Achsen 30 drehbar und schwenkbar durch einen axialen Stift 46, der sich in axial angeordnete Löcher in den Enden der beiden Achsen erstreckt, Nadellager 48 um die Endteile dieses Stiftes und Schwenklager 50 auf beiden Enden des Stiftes miteinander verbunden, so daß die Achsen 30 drehbar und radial geringfügig in bezug zueinander bewegbar sind. Eine ringförmige Dichtung 51 ist zwischen die Endoberflächen der Achsen eingescho­ ben. Die äußeren Enden der Achsen 30 sind mit Innenkeilen 52 etc. ausgebildet zur Befestigung von Wellen (nicht gezeigt), die mit den Hinterrädern (ebenfalls nicht gezeigt) verbunden sind.

Jede Achse 30 ist durch ein Radiallager 54 auf einem ringförmigen Träger 56 gelagert, an dem das innere Ende eines Bolzens 58 durch einen Stift 60 befestigt ist. Jeder Bolzen 58 erstreckt sich radial von der Achse 30 und hin- und herbewegbar durch den Rahmen 24, aber der Bolzen kann sich wegen des Stiftes 60 nicht drehen. Eine Mutter 62 ist auf den äußeren Endteil jedes Bolzens 58 geschraubt, wobei Belleville- oder Tellerfedern 64 und ein Drucklager 66 zwischen der Mutter 62 und dem Rahmen 24 angeordnet sind. Wie in Fig. 7 gezeigt, ist jede Mutter 62 mit einem Verbindungshebel 68 verbunden, der durch ein Betätigungsorgan (nicht gezeigt) oder manuell bedient werden kann.

Jede Achse 30 ist radial geringfügig in bezug auf den Rahmen 24 und die Muffe 18 bewegbar, und eine Dichtung 67 ist zwischen dem äußeren Ende einer jeden Achse 30 und dem Rahmen 24 eingefügt.

Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt, haben die Kupplungsscheiben 38 und 40 eine Anzahl von kleinen Schmierungslöchern 70 mit ähnlicher Größe, die in den Scheiben in Kreisen mit vorbestimmten Radien ausgebildet sind. Schmieröl fließt durch die Löcher und wird zwischen den Kupplungs­ scheiben 38 und 40 bereitgehalten.

Im Betrieb werden, wenn sich die Kardanwelle und die Kegelräder 12 und 14 drehen, die Muffe 18 und der Satz Scheiben 38, die mit der Muffe festgekeilt sind, eben­ falls gedreht. Wenn sich die Achsen 30 koaxial zur Muffe 18 erstrecken, gibt es einen minimalen Kontaktdruck zwischen den beiden Sätzen von Scheiben 38 und 40, und eine minimale Antriebskraft wird an die Achsen 30 über­ tragen. Falls jedoch eine der Muttern 62 durch Bewegen des Hebels 68 angezogen wird, bewegt die Kompressions­ kraft der Belleville-Feder 64 den Bolzen 58 radial in dem Rahmen 24 nach außen. Diese Tätigkeit verschiebt die zugeordnete Achse 30 radial geringfügig in bezug auf den Rahmen 24 und die Muffe 18, und nach unten, wie in Fig. 1 zu sehen.

Als ein Ergebnis wird die zugeordnete Keilscheibe 36 ebenfalls radial in derselben Richtung relativ zu der benachbarten Keilscheibe 34 verschoben, wobei ihre be­ nachbarten sphärischen Oberflächen zusammendrückend gekeilt werden und gleitend miteinander in einem Bereich, der von der Achse 30 nach unten geht, in Eingriff stehen.

Die axial inwärtige Komponente einer Kraft, die sich aus dem Druckkontakt zwischen den Keilscheiben 34 und 36 ergibt, preßt die Kupplungsscheiben 38 und 40 gegen die ringförmige Unterteilung 26. Der Betrag des Kontakt­ druckes auf die Kupplungsscheiben 38 und 40 ist propor­ tional zu dem Betrag der Verschiebung der Achse 30 rela­ tiv zu der Muffe 18. Die Keilungstätigkeit der Keil­ scheiben 34 und 36 vermindert den Betrag der Kraft, der zum Bedienen des Verbindungshebels 68 erforderlich ist.

Somit wird ein Drehmoment von der Kardanwelle zu einer oder beiden Achsen 30 übertragen. In Übereinstimmung mit einem gewünschten, zu einem der Hinterräder zu über­ tragenden Drehmoment, wird der entsprechende Verbindungs­ hebel 68 (Fig. 7) gedreht, um die notwendige Gleitrei­ bungsübertragung zu erzielen.

Weiterhin ist es möglich, das Verhältnis der Drehmoment­ übertragung zu den jeweiligen Rädern durch Erfassen des Steuerungswinkels des Fahrzeugs und Erzeugen eines Steuersignals zu steuern, das verwendet wird, um Betäti­ gungsorgane (nicht gezeigt) zu steuern, die zur automa­ tischen Bedienung der Verbindungshebel 68 angeordnet sind.

In der vorliegenden Vorrichtung werden die Achsen 30 unabhängig voneinander gesteuert, und die Kraft, die pro Einheitsfläche durch die Vielzahl von dünnen Kupp­ lungsscheiben 38 und 40 übertragen wird, wird vermin­ dert, damit dadurch die jeweiligen Räder mit geeigneten Drehmomenten versorgt werden können, abhängig von dem Steuerungszustand.

In dieser Ausführungsform ist die Größe und die Lage der Schmierungslöcher 70 die gleiche. Selbst wenn Öl mit einer niedrigen Viskosität zwischen den Kupplungs­ scheiben 38 und 40 verwendet wird, zwingt ihre Relativ­ rotation das Öl in die Löcher 70 und aus ihnen heraus, wenn die Löcher im wesentlichen in einer Linie zwischen den benachbarten Kupplungsscheiben angeordnet sind. Dies verdünnt den Ölfilm zwischen den Kontaktoberflächen. Als ein Ergebnis wächst der Reibungsfaktor, und dies ist ein Faktor beim Vergrößern der Kupplungskapazität.

Indem jede Achse 30 an beiden Enden unterstützt wird, können die Lager relativ kompakt sein.

Die Verwendung von beiden Oberflächen einer jeden Kupp­ lungsscheibe 38 und 40 gleicht den Nachteil beim exzen­ trischen Druck-Oberflächenkontakt aus. Ebenfalls mit Bezug auf die Festigkeit der Kupplungscheiben ist es ausreichend, lediglich ihre Dicke unter Betrachtung des Abscherens durch das Drehmoment zu bestimmen, damit dadurch die Vorrichtung im Vergleich zu herkömmlichen Kupplungen kompakt sein kann.

Da der Krümmungsradius R 1 der konkaven Oberfläche einer jeden Kupplungsscheibe 34 äußerst geringfügig größer als der Krümmungsradius R 2 der konvexen Oberfläche der benachbarten Kupplungsscheibe 36 ist, ist der kreisför­ mige Berührungsbereich zwischen den Oberflächen ziemlich groß gemäß der folgenden theoretischen Hertz-Gleichung:

wobei A der Radius des Berührkreises, P der Druck zwi­ schen den Scheiben und K 1 und K 2 Elastizitätskonstanten sind, die durch die Materialien der Scheiben bestimmt werden.

Dieser kreisförmige Berührungsbereich ist ungefähr drei­ mal so groß wie der rechteckige Berührungsbereich in dem Fall von konischen Oberflächen, die dieselben Krüm­ mungsradien wie die sphärischen Oberflächen haben, gemäß der folgenden theoretischen Hertz-Gleichung für die konischen Oberflächen:

worin B die Hälfte der Breite der Berührungslinie und L ihre Länge ist. Zum Vergleich wird L zu 2A angenommen.

Die vergrößerte Kontaktfläche erlaubt, daß die Kraft pro Einheitsberührungsfläche klein ist.

Claims (5)

1. Kupplungsvorrichtung, die zwischen Antriebs- und angetriebenen Einrichtungen angeordnet ist, gekenn­ zeichnet durch einen Rahmen, eine erste Welle, die eine der Antriebs- und angetriebenen Einrichtungen bildet, eine zweite Welle, die die andere der An­ triebs- und angetriebenen Einrichtung bildet, eine Muffe in antreibender Beziehung mit der ersten Welle, wobei die zweite Welle sich parallel zu der Muffe erstreckt und teilweise von ihr umgeben ist und eine der Wellen durch den Rahmen gelagert ist, einen ring­ förmigen Träger, der für radiale Bewegung auf dem Rahmen montiert ist und die andere der Wellen lagert, eine Umfangsnut mit einer sich verjüngenden Form im axialen Querschnitt, die in der inneren Umfangs­ seite der Muffe oder der äußeren Umfangsseite der zweiten Welle gebildet ist und einen Ring, der axial auf der anderen der Umfangsseiten verschiebbar, aber mit ihr winkelmäßig fixiert ist und eine sich ver­ jüngende Form im axialen Querschnitt hat, und wobei der Ring innerhalb der Nut positioniert ist, die Wellen durch Bewegen des Trägers radial relativ zu­ einander verschiebbar sind, wobei der Ring und die Nut keilartig wirken, um den Kontaktdruck zwischen sich zu variieren, um dadurch das zwischen den Wellen übertragene Drehmoment zu verändern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin einen Bolzen, der an dem ringför­ migen Träger befestigt ist, wobei sich dieser Bolzen radial von dem Träger erstreckt und hin- und herbeweg­ bar durch den Rahmen ist, eine Mutter, die auf den Bolzen geschraubt ist, und eine Belleville-Feder, die zwischen der Mutter und dem Rahmen angeordnet ist, aufweist, wobei die Mutter drehbar ist, um den Träger radial relativ zu dem Rahmen zu verschieben.

3. Kupplungsvorrichtung zum Übertragen eines Drehmoments von einer Antriebswelle zu einem Paar von sich im wesentlichen koaxial erstreckenden angetriebenen Wellen, gekennzeichnet durch einen Rahmen, auf dem die Antriebswelle gelagert ist, eine Muffe, die in der Antriebswelle gebildet ist und zumindest teil­ weise die angetriebenen Wellen umgibt, ein Paar von ringförmigen Trägern, die radial beweglich auf dem Rahmen getragen sind, wobei jede der angetriebenen Wellen in einem der Träger drehbar und radial beweg­ bar relativ zu der anderen gelagert ist, die Muffe innere Keile hat und die angetriebenen Wellen äußere Keile haben, ein Paar von äußeren Keilscheiben, die jeweils an der Muffe benachbart ihrem einen Ende befestigt sind, wobei jede der äußeren Keilscheiben eine axial innere konkave Oberfläche hat, die sphä­ risch mit einem ersten Krümmungsradius ist und der Mittelpunkt der Krümmung auf der Achse der äußeren Scheibe liegt, eine Zwischenscheibe, die an der Muffe zwischen den äußeren Scheiben befestigt ist, ein Paar von ringförmigen Räumen, die jeweils zwischen der Muffe und einer der angetriebenen Wellen und zwischen einer der äußeren Scheiben und der Zwi­ schenscheibe ausgebildet sind, ein Paar von inneren Keilscheiben, die jeweils in einem der Räume angeord­ net sind, wobei jede der inneren Scheiben eine axial äußere konvexe Oberfläche hat, die sphärisch mit einem zweiten Krümmungsradius ist, wobei der Krüm­ mungsradius auf der Achse der inneren Scheibe liegt, der zweite Radius geringfügig kleiner ist als der erste Radius, jede der inneren Scheiben innere Um­ fangszähne in Eingriff mit den Keilen der zugeordneten angetriebenen Welle hat, und erste und zweite Kupp­ lungsscheiben, die zwischen der inneren Scheibe und der Zwischenscheibe in jedem der Räume angeordnet sind, wobei die erste Kupplungsscheibe äußere Umfangs­ zähne in Eingriff mit den Keilen der Muffe hat, die zweite Kupplungsscheibe innere Umfangszähne in Ein­ griff mit den Keilen der zugeordneten angetriebenen Welle hat, und jeder der Träger betreibbar ist, um die zugeordnete angetriebene Welle relativ zu der Muffe radial zu bewegen, so daß die zugeordneten sphärischen Oberflächen keilartig miteinander in Eingriff stehen, um die Kupplungsscheiben zusammen­ zupressen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kupplungsscheibe einen äußeren Umfangs­ teil hat, der in einer axialen Richtung verdickt ist, und einen inneren verdünnten Teil, und die zweite Kupplungsscheibe einen inneren Umfangsteil, der in die andere axiale Richtung verdickt ist und einen äußeren verdünnten Teil hat, wobei die verdünnten Teile gleitend einander berühren können.

5. Kupplungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine Muf­ fe, eine Welle, die sich im wesentlichen koaxial in die Muffe erstreckt, erste und zweite Sätze von einander durchsetzenden Kupplungsscheiben, die mit der Muffe und der Welle verbunden sind, wobei eines der beiden Teile Muffe und Welle in der radialen Richtung bewegbar ist, und Keileinrichtungen vorge­ sehen sind, die auf eine solche radiale Bewegung reagieren und betreibbar sind, um die Sätze von Schei­ ben zusammenzudrücken und dadurch eine Antriebsver­ bindung zwischen der Muffe und der Welle zu bilden.