DE3911122C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine formschlüssige Schaltkupplung zum schaltbaren Verbinden einer Hohlwelle mit einem koaxial darin liegenden Wellenzapfen durch radial verlagerbare Koppelglieder, mit Öffnungen in der Hohlwelle, in denen die Koppelglieder umfangsfest und radial verlagerbar gehalten sind, mit Ausnehmungen im Wellenzapfen, die den Öffnungen in der Hohlwelle axial zugeordnet sind und in die die Koppelglieder zum drehfesten Verbinden der Hohlwelle mit dem Wellenzapfen eintreten können, mit einer axial auf der Hohlwelle verschiebbaren Schalthülse, die eine Anlaufringfläche zum radialen Verlagern der Koppelglieder nach innen und eine Sperrfläche zum Festhalten der Koppelglieder im gleichzeitigen Eingriff mit Hohlwelle und Wellenzapfen aufweist.

Schaltkupplungen werden im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen mit Allradantrieb verwendet, bei denen der Antrieb zur zweiten Achse entweder nur bei besonderen Betriebsbedingungen zugeschaltet wird, z. B. bei schlechter Traktion und Schlupf an der ständig angetriebenen Achse, oder bei denen der Antrieb zur zweiten Achse bei bestimmten Betriebsbedingungen abgeschaltet wird, z. B. bei Betätigen der Betriebsbremse, um die Fahrzeugstabilität und die fehlerfreie Funktion eines Antiblockiersystems sicherzustellen. Es sind hierzu bereits verschiedene Kupplungen bekannt geworden, z. B. aus der DE 38 22 115 A 1, die als Klauenkupplungsmechanismus ausgelegt sind. Für das Abschalten unter Drehmoment und das Zuschalten bei hohen Drehzahldifferenzen sind diese Kupplungen kaum geeignet. Das Verriegeln der axial verschiebbaren Klauenhülse erfolgt hierbei über radial verlagerbare Sperrglieder in Form von Kugeln, die in eine Nut der entsprechenden Hohlwelle eingreifen und dort über eine Sperrhülse radial festgelegt werden, so daß sie die Klauenhülse axial sichern, die sonst durch die Reaktion der Zahnkräfte axial verschoben würde.

Aus anderen Anwendungsbereichen sind unter Last schaltbare Kupplungen bekannt, z. B. aus der DE-OS 24 28 916 oder der JP 60-2 56 627, bei denen Sperrglieder in Öffnungen einer auf einer Welle frei drehenden Hülse eines Antriebsrades radial verlagerbar gehalten sind und in einzelne Ausnehmungen oder Nuten der Welle eintreten können, wo sie unter formschlüssiger Verbindung der Hülse des Antriebsrades mit der Welle durch eine axial verschiebbare Sperrhülse festgehalten werden. Die Verschiebung der Sperrhülse kann hierbei über eine übliche Schaltklaue erfolgen, die z. B. über einen Hebelmechanismus betätigt werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine unter Drehmoment schaltbare formschlüssige Schaltkupplung der vorstehend genannten Art zu schaffen, die axial und in Umfangsrichtung sehr kompakt baut und funktionssicher hohe Drehmomente aufnehmen und schalten kann und die mittels geringer Kräfte in verriegelter Stellung gehalten werden kann und sich bei Wegfall von äußeren Betätigungskräften selbsttätig entriegelt. Die Lösung hierfür ist gekennzeichnet durch Sperrglieder, die auf die Schalthülse axial einwirken und die axial und radial verlagerbar sind, eine Ring in der Hohlwelle, in die die Sperrglieder zum axialen Verriegeln der Schalthülse eintreten können, und eine Sperrhülse mit einer Anlaufringfläche zum radialen Verlagern der Sperrglieder nach innen und mit einer Sperrfläche zum Festhalten der Sperrglieder in axialer Sperrung von Hohlwelle und Schalthülse, wobei die Sperrhülse gegen eine Rückstellkraft in die Verriegelungsstellung verschiebbar und die Schalthülse durch die radial verlagerten Sperrglieder in der Koppelstellung axial verriegelbar ist und wobei die Sperrfläche der Schalthülse nichtselbsthemmend konisch ist. Ein Vorteil dieser Erfindung liegt darin, daß für den formschlüssigen Eingriff sowohl zum drehfesten Verbinden der Hohlwelle mit dem Wellenzapfen als auch zum axialen Verriegeln der Schalthülse radial verlagerbare Elemente, insbesondere in Form von Kugeln verwendet werden, die durch radiales Sichern hohe Umfangskräfte (Koppelglieder) bzw. Axialkräfte (Sperrglieder) aufnehmen können und die nur kurze axiale Schaltwege bei geringen Schaltkräften benötigen.

Nach einer besonders günstigen Ausgestaltung sind die Öffnungen zur Aufnahme der Sperrglieder unmittelbar in der Schalthülse vorgesehen, wobei in weitergehender bevorzugter Ausgestaltung nur die Sperrhülse unmittelbar axial betätigbar ist und unmittelbar auf die Sperrglieder zunächst axial einwirkt und diese soweit verschiebt, bis sie in die Umfangsnut der Hohlwelle radial eintreten können, wo sie durch Weiterschieben der Sperrhülse radial gesichert gehalten werden. Beim axialen Verschieben der Sperrglieder wirken diese ihrerseits auf die Schalthülse ein, die gleichzeitig die Koppelglieder radial verlagert und nach dem Eintreten in die entsprechenden Ausnehmungen in dem Wellenzapfen durch weiteres axiales Verschieben radial sichert. Die entsprechenden Schiebewege sind so aufeinander abgestimmt, daß zunächst die drehfeste Verbindung und Sicherung derselben zwischen Hohlwelle und Wellenzapfen hergestellt wird und anschließend die axiale Sicherung der Schalthülse erfolgt, wobei dies nahezu synchron auf einem kurzen zusätzlichen Schiebeweg erfolgt. Das Entriegeln der drehmomentfesten Verbindung erfolgt sinngemäß umgekehrt durch Bewegung der Sperrhülse in die Gegenrichtung, wobei zunächst eine geringe Rückstellkraft, z. B. einer Feder die Gegenbewegung der Sperrhülse einleitet, durch die die Sperrglieder in radialer Richtung entriegelt werden. Das Drehmoment bewirkt dann die Entriegelung der Schalthülse durch die radiale Kraft der Koppelglieder auf die konische Sperrfläche. Hierdurch ergibt sich eine axiale Reaktionskraft auf die Schalthülse, die wiederum die Sperrkörper gegen die konische Anlauffläche der Ringnut drückt, wodurch diese sich radial nach außen bewegen und die Schalthülse axial freigeben.

Die umfangssymmetrische kompakte Anordnung ist besonders geeignet für die Betätigung mittels kompakter umfangssymmetrisch angeordneter Schaltelemente. Hierfür ist insbesondere ein ringförmig angeordneter Schaltmagnet geeignet, der einen mit der Sperrhülse drehbar verbundenen Stellring bei Betätigung axial verschiebt. In gleicher Weise könnte dieser Stellring mit einem hydraulischen oder pneumatischen Stellkolben verbunden sein oder selbst als solcher ausgebildet sein. Ebenso sind jedoch auch einzelne über den Umfang verteilte Betätigungsanordnungen, z. B. drei kleinere Stellkolben möglich, die auf den Stellring einwirken.

Die gesamte Anordnung kann in günstiger Weise in einem kurzen Gehäuse angeordnet sein, das auf der Hohlwelle doppelt gelagert ist, die mit einem ersten Flansch verbunden ist und in der der Wellenzapfen gelagert ist, der mit einem zweiten Flansch verbunden ist. Der Verriegelungsmechanismus liegt dabei bevorzugt in Bezug auf beide Wellen zwischen den beiden Lagerstellen, so daß ein Verspannen oder dergleichen weitgehend ausgeschlossen ist.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel wird anhand der Zeichnung beschrieben.

Als wesentliche in einem aus mehreren Gehäuseteilen 5, 7, 9 bestehenden Gehäuse 35 befindliche Teile sind die Hohlwelle oder Nabe 1 und die Welle oder der Wellenzapfen 2 erkennbar. Das Gehäuseteil 9, das aus einem magnetisch isolierenden Werkstoff besteht, ist über Schrauben 30 mit dem Gehäuseteil 7 verspannt. Die Teile 5 und 7 sind über ein Gewinde 47 miteinander verschraubt. Das Gehäuse ist auf den Kugellagern 16 und 14 auf der rotierenden Welle gehalten und über eine hier nicht dargestellte Halterung gegen Mitdrehen gesichert, wobei das Lager 16 in einem magnetisch isolierenden Lagerträger 10 und das Lager 14 unmittelbar in dem magnetischen isolierenden Gehäuseteil 9 gehalten ist. Das Lager 14 ist mittels eines Sicherungsringes 23 im Gehäuseteil 9 und mittels eines Sicherungsringes 24 und eines Distanzringes 30 auf der Hohlwelle 1 festgelegt. Das Lager 16 wird mittels eines Distanzringes 34 vom Wellenzapfen 2 gehalten, der Ladenträger 10 ist mittels eines Sicherungsringes 18 im Gehäuseteil 5 festgelegt. Der mehrfach abgesetzte Wellenzapfen 2 ist über ein Kugellager 15 und einen Nadellagerkranz 17 in der Hohlwelle 1 gelagert. Das Kugellager 15 ist mittels Sicherungsringen 25, 26 in der Hohlwelle 1 bzw. auf dem Wellenzapfen 2 festgelegt, während der Nadellagerkranz 17 an Absätzen der Hohlwelle 1 bzw. des Wellenzapfens 2 axial abstützt. Der Flansch 32 des Wellenzapfens 2 trägt ein Schutzrohr 18, und ist gegenüber diesem durch einen O-Ring 45 abgedichtet, während zur Abdichtung des Schutzrohres 18 gegenüber dem Gehäuseteil 5 ein Wellendichtring 20 vorgesehen ist. Die Hohlwelle 1 weist einen Flansch 31 mit Schrauben 22 auf, der Wellenzapfen 2 einen Flansch 32 mit Gewindelöchern 21.

In der oberen Bildhälfte ist die Schaltkupplung in entriegelter Stellung dargestellt. Der Stellring 8, in dem die Sperrhülse 3 mittels eines Sicherungsringes 29 axial gehalten ist, befindet sich in äußerst rechter Position im Gehäuseteil 5. Der Stellring 8 trägt weiterhin einen Druckring 11. Die Sperrkugeln 12, die in Öffnungen 36 in der Schalthülse 4 gehalten sind, sind radial nach außen getreten. In gleicher Weise sind die in Öffnungen 37 in der Hohlwelle 1 radial verlagerbaren Koppelkugeln 13 von der Anlauffläche 38 an der Schalthülse 4 unbeaufschlagt und ebenfalls radial nach außen aus den Ausnehmungen 39 im Wellenzapfen 2 herausgetreten. In axialem Abstand von den Sperrkugeln 12 ist die Ringnut 41 zu deren Aufnahme erkennbar. Zwischen den Gehäuseteilen 5 und 7 ist ein Elektromagnet mit einem Spulenträger 6, einer Haltewicklung 27 und einer Schaltwicklung 28 dargestellt, von dem Kabel 44 nach außen führen.

In der unteren Bildhälfte ist der Schaltring 8 durch Betätigung des Elektromagneten in der äußersten, nach links verschobenen, Position dargestellt, wobei die Koppelkugeln 13 durch die Anlauffläche 38 radial nach innen gedrückt sind und die Koppelkugeln 13 mittels der konischen Sperrfläche 42 im Eingriff zwischen Hohlwelle 1 und Wellenzapfen 2 gehalten werden. Die Sperrkugeln 12 sind durch die Sperrhülse 3 in die Ringnut 41 gedrückt und radial durch die Sperrfläche 43 gesichert. Der im Stellring 8 gehaltene Druckring 11 drückt eine Feder 19 zusammen, die eine Rückstellkraft erzeugt. Zum Einkoppeln ist wegen der über den Ankerweg stark abfallenden Magnetkraft ein stärkeres Magnetfeld erforderlich als zum Halten, welches mittels der niederohmigen Schaltwicklung 28 erzeugt wird. Sobald die Sperrkugeln 12 in die Ringnut 41 eingetreten sind und von der Sperrhülse 3 radial gesichert sind, nehmen diese die Axialkräfte des Schaltringes auf, so daß die hochohmige Haltewicklung 27 alleine gegen die Rückstellkraft der Feder 19 den Stellring 8 in seiner Position halten kann. Wird die Haltewicklung 27 ausgeschaltet, so drückt die Federkraft über den Druckring 11 die Sperrhülse 3 nach rechts, die Sperrkugeln 12 können unter der Reaktionskraft des Drehmoments austreten und die Schalthülse 4 wird über die aus ihren Ausnehmungen 39 herausgedrückten Koppelkugeln 13 vollends nach rechts verschoben.

Es ist erkennbar, daß in vorteilhafter Weise nur geringe Haltekräfte nach erfolgter Verriegelung der Schaltkupplung erforderlich sind.

Bezugszeichenliste:

 1 Hohlwelle (Nabe)
 2 Wellenzapfen
 3 Sperrhülse
 4 Schalthülse
 5 Gehäuseteil
 6 Spulenträger
 7 Gehäuseteil
 8 Stellring
 9 Gehäuseteil
10 Lagerträger
11 Druckring
12 Sperrkugel
13 Koppelkugel
14 Kugellager
15 Kugellager
16 Kugellager
17 Nadellager
18 Schutzrohr
19 Feder
20 Dichtring
21 Gewindeloch
22 Schraube
23 Sicherungsring
24 Sicherungsring
25 Sicherungsring
26 Sicherungsring
27 Haltewicklung
28 Schaltwicklung
29 Sicherungsring
30 Schraube
31 Flansch (Hohlwelle)
32 Flansch (Wellenzapfen)
33 Distanzring
34 Distanzring
35 Gehäuse
36 Öffnung (Schalthülse)
37 Öffnung (Hohlwelle)
38 Anlauffläche (Schalthülse)
39 Ausnehmung (Wellenzapfen)
40 Anlauffläche (Sperring)
41 Ringnut (Hohlwelle)
42 Sperrfläche (Schalthülse)
43 Sperrfläche (Sperrhülse)
44 Kabel
45 O-Ring
46 Sicherungsring
47 Gewinde

Claims (12)

1. Schaltkupplung zum schaltbaren Verbinden einer Hohlwelle (1) mit einem koaxial darin liegenden Wellenzapfen (2) durch radial verlagerbare Koppelglieder (13), mit Öffnungen (37) in der Hohlwelle (1), in denen die Koppelglieder (13) umfangsfest und radial verlagerbar gehalten sind, mit Ausnehmungen (39) im Wellenzapfen (2), die den Öffnungen (37) in der Hohlwelle (1) axial zugeordnet sind und in die die Koppelglieder (13) zum drehfesten Verbinden der Hohlwelle (1) mit dem Wellenzapfen (2) eintreten können, mit einer axial auf der Hohlwelle (1) verschiebbaren Schalthülse (4), die eine Anlaufringfläche (38) zum radialen Verlagern der Koppelglieder (13) nach innen und eine Sperrfläche (42) zum Festhalten der Koppelglieder (13) im gleichzeitigen Eingriff mit Hohlwelle (1) und Wellenzapfen (2) aufweist, gekennzeichnet durch Sperrglieder (12), die auf die Schalthülse (4) axial einwirken und die axial und radial verlagerbar sind, eine Ringnut (41) in der Hohlwelle (1), in die die Sperrglieder (12) zum axialen Verriegeln der Schalthülse (4) eintreten können, und eine Sperrhülse (3) mit einer Anlaufringfläche (40) zum radialen Verlagern der Sperrglieder (12) nach innen und mit einer Sperrfläche (43) zum Festhalten der Sperrglieder (12) in axialer Sperrung von Hohlwelle (1) und Schalthülse (4), wobei die Sperrhülse (3) gegen eine Rückstellkraft in die Verriegelungsstellung verschiebbar und die Schalthülse (4) durch die radial verlagerten Sperrglieder (12) in der Koppelstellung axial verriegelbar ist und wobei die Sperrfläche (42) der Schalthülse (4) nichtselbsthemmend konisch ist.

2. Schaltkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine einseitig auf die Sperrhülse (3) wirkende Betätigungsvorrichtung vorgesehen ist.

3. Schaltkupplung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Öffnungen (36) in der Schalthülse (4), in der die Sperrglieder (12) umfangsfest und radial verlagerbar gehalten sind.

4. Schaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrfläche (43) der Sperrhülse (3) konisch ist.

5. Schaltkupplung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrhülse (3) unmittelbar von einem Stellglied (8) axial beaufschlagbar ist und die Schalthülse (4) mittels der axial von der Sperrhülse (3) mitgenommenen Sperrglieder (12) axial verschiebbar ist.

6. Schaltkupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit der Sperrhülse (3) verbundener Stellring (8) als Stellglied vorgesehen ist.

7. Schaltkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrhülse (3) in dem Stellring (8) drehfähig gelagert ist.

8. Schaltkupplung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (8) unmittelbar elektromagnetisch betätigbar ist, insbesondere mittels eines ihn umgebenden Ringmagneten.

9. Schaltkupplung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellring (8) unmittelbar hydraulisch oder pneumatisch betätigbar ist, insbesondere mittels eines Ringkolbens.

10. Schaltkupplung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung unmittelbar auf einer der rotierenden Wellen (1; 2) wälzgelagert und durch eine ortsfeste Halterung gegen Mitdrehen gesichert ist.

11. Schaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelglieder Kugeln (13) sind.

12. Schaltkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrglieder Kugeln (12) sind.