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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Kuppeln von zwei
Wellen, die dazu bestimmt sind, in gegenseitiger Verlängerung
zu drehen. Eine Klauenkupplung gewährleistet die Ankupplung der
zwei Wellen. Eine Klauenkupplung weist im Allgemeinen Zähne oder
Klauen auf, die zu jeder der zwei Wellen gehören. Wenn die Zähne (oder
die Klauen) zusammenwirken, sind die zwei Wellen angekuppelt. Eine
Kupplungsvorrichtung mit Klauenkupplung weist ebenfalls Mittel auf,
um die Zähne
jeder Welle zu trennen, um sie auszukuppeln. Diese Mittel werden
in der nachfolgenden Beschreibung Ausrückmittel genannt.
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Bekannte
Ausrückmittel
erfordern das Anhalten der zwei Wellen sowie eine große äußere Kraft, die
es ermöglicht,
die Zähne
zu trennen. Die Zähne werden
nämlich
allgemein mittels einer Feder in Kontakt gehalten, und es ist folglich
notwendig, die Kraft dieser Feder zu überwinden, um auszurücken.
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Daher
ist es nicht möglich,
eine bekannte Klauenkupplung zu verwenden, um einen Anlasser mit
einem Motor zu kuppeln, wenn man den Anlasser nach dem Start des
Motors auskuppeln möchte.
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US-A-4,382,495 beschreibt
eine Kupplungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruch 1.
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Die
Erfindung hat zum Ziel, diese Schwierigkeiten zu beseitigen, indem
sie eine Kupplungsvorrichtung mit Klauenkupplung vorschlägt, bei
der die Ausrückmittel
die Wellen selbst dann auskuppeln können, wenn diese sich in Drehung
befinden, und bei der die Ausrückmittel
die Wellen bei einer Umkehr des Widerstandsmoments zwischen einer
Antriebswelle und einer Abtriebswelle automatisch auskuppeln können.
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Zu
diesem Zweck hat die Erfindung eine Kupplungsvorrichtung einer Antriebswelle
und einer Abtriebswelle zum Gegenstand, die dazu bestimmt sind,
bezüglich
eines Gehäuses
in der gegenseitigen Verlängerung
im Wesentlichen um eine Achse zu drehen, wobei die Vorrichtung eine
Klauenkupplung, die es der Antriebswelle ermöglicht, die Abtriebswelle anzutreiben,
und Ausrückmittel
aufweist, die es ermöglichen,
die Klauenkupplung aus einer eingerückten Stellung in eine ausgerückte Stellung
auszukuppeln, wobei die Ausrückmittel
mindestens eine erste Rinne, die fest mit einem Antriebselement
der Klauenkupplung verbunden ist, wobei die erste Rinne die Form
eines Torusabschnitts um die Achse hat, mindestens eine zweite Rinne,
die fest mit der Antriebswelle verbunden ist, wobei die zweite Rinne
eine Schraubenform um die Achse hat, sowie ein rollendes Element
aufweisen, das dazu bestimmt ist, zwischen der ersten und in der
zweiten Rinne zu rollen.
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Die
Erfindung erlaubt es außerdem,
die für das
Ausrücken
erforderliche Kraft beträchtlich
zu verringern. Dank der Erfindung wird die für das Trennen der Zähne der
Klauenkupplung notwendige Kraft nicht mehr von außerhalb
der Vorrichtungen liegenden Mitteln, sondern von der Vorrichtung
selbst, und genauer von der Drehenergie der Wellen geliefert.
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Die
Erfindung erlaubt es ebenfalls, die Masse der Ausrückmittel
stark zu verringern und ihre Kompaktheit zu erhöhen.
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Die
Erfindung wird besser verstanden und weitere Vorteile gehen aus
der ausführlichen
Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung hervor, die als Beispiel angegeben wird, wobei die Beschreibung
durch die beiliegende Zeichnung veranschaulicht wird. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung
im Schnitt durch die Achse der zwei Wellen; der obere Teil des Schnitts
stellt die Kupplungsvorrichtung in der eingerückten Stellung dar und der untere
Teil des Schnitts stellt die Kupplungsvorrichtung in der ausgerückten Stellung
dar;
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die 2a und 2b die
Rinnen und das rollende Element in der abgewickelten Ansicht um
die Drehachse der Wellen;
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3 ein
Ausführungsbeispiel
der Zähne der
Klauenkupplung;
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4 im
Schnitt lotrecht zur Drehachse der Wellen Bremsmittel des Antriebselements
und Freilaufmittel.
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In 1 ist
eine Kupplungsvorrichtung im Schnitt gemäß einer Ebene dargestellt,
die eine Achse 1 enthält,
um die zwei Wellen 2 und 3 bezüglich eines Gehäuses 4 drehen
können.
Die Welle 2 ist zum Beispiel diejenige des Rotors eines
Elektromotors, der als Anlasser verwendet wird. Ein drehendes Lager,
das zum Beispiel ein Wälzlager 7 aufweist,
erlaubt die Drehung der Welle 2 bezüglich des Gehäuses 4,
wobei die Drehung um die Achse 1 erfolgt. Die Welle 3 erlaubt
es zum Beispiel, den Elektromotor an einen Hilfsgeräteantrieb
(nicht dargestellt) anzukuppeln.
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Eine
Klauenkupplung 9 ermöglicht
es, die Wellen 2 und 3 anzukuppeln und auszukuppeln.
Gemäß dem dargestellten
Beispiel weist die Klauenkupplung 9 eine erste Reihe von
Zähnen 10,
die fest mit einem Antriebselement 12 der Klauenkupplung 9 verbunden
sind, und eine zweite Reihe von Zähnen 11 auf, die fest
mit der Welle 2 verbunden sind. Die Zähne 10 und die Zähne 11 wirken
derart zusammen, dass sie den Antrieb der Welle 2 durch
die Welle 3 gewährleisten,
wenn die Kupplungsvorrichtung in der eingerückten Stellung ist.
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Ausrückmittel
ermöglichen
es, die Zähne 10 und 11 auszukuppeln.
Die Ausrückmittel
weisen mindestens eine erste Rinne 13 auf, die fest mit
dem Antriebselement 12 verbunden ist, und die die Form
eines Torusabschnitts um die Achse 1 hat. Die Ausrückmittel
weisen außerdem
mindestens eine zweite Rinne 16 auf, die fest mit der Welle 2 verbunden
ist. Die zweite Rinne 16 hat eine Schraubenform um die Achse 1.
Die Ausrückmittel
weisen ebenfalls ein rollendes Element 17 auf, das dazu
bestimmt ist, zwischen der ersten und der zweiten Rinne 13 und 16 zu rollen.
Das rollende Element 17 ist vorteilhafterweise eine runde
Kugel. Ein elastisches Element, wie zum Beispiel eine Schraubenfeder 18,
hat die Tendenz, die Zähne 10 und 11 ausgekuppelt
zu halten. Die Schraubenfeder 18 legt sich zwischen der
Antriebswelle 2 und dem Antriebselement 12 der
Klauenkupplung 9 an. Das Antriebselement 12 kann
eine schraubenförmige
Bewegung bezüglich
der Welle 2 um die Achse 1 ausführen. Man
kann ein um die Achse 1 drehsymmetrisches Teil 14 vorsehen,
das bezüglich
des Antriebselements 12 frei drehbar ist. Die Schraubenfeder 18 legt
sich dann mittels des drehsymmetrischen Teils 14, das,
von der Schraubenfeder 18 angetrieben, permanent mit der
gleichen Drehgeschwindigkeit wie die Welle 2 um die Achse 1 dreht,
auf das Antriebselement 12 an. Die Drehfreiheit des drehsymmetrischen
Teils 14 bezüglich
des Antriebselements 12 kann durch einen Anschlag mit Kugel 15 gewährleistet
werden.
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Wenn
die Zähne 10 und 11 der
Klauenkupplung 9 angekuppelt sind, und wenn die Welle 2 eine Antriebswelle
ist, d. h. wenn sie ein Antriebsmoment auf Welle 3 ausübt, wird
das Antriebselement 12 in seiner Drehung um die Achse 1 von
den fest mit der Welle 3 verbundenen Zähnen 11 gebremst.
Das Bremsen des Antriebselements 12 neigt dazu, das Antriebselement 12 bezüglich der
Welle 2 in seiner schraubenförmigen Bewegung zu verschieben,
so dass die Zähne 10 und 11 angekuppelt
bleiben.
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Wenn
dagegen die Welle 2 kein Antriebsmoment mehr auf die Welle 3 ausübt, hat
die Feder 18 die Tendenz, das Antriebselement 12 bezüglich der Welle 2 in
seiner schraubenförmigen
Bewegung in Gegenrichtung zur vorher beschriebenen Bewegung zu verschieben,
so das die Zähne 10 und 11 sich
auskuppeln. Das Auskuppeln der Zähne 10 und 11 erfolgt
automatisch, wenn die Welle 2 kein Antriebsmoment mehr
auf die Welle 3 ausübt.
Das automatische Auskuppeln ist nützlich, wenn zum Beispiel die
Welle 2 diejenige eines Anlassers und die Welle 3 diejenige eines
Motors ist, den der Anlasser starten soll. Zuerst treibt der Anlasser
den Motor an und die Klauenkupplung 9 bleibt angekuppelt.
Dann, wenn der Motor gestartet ist, kuppelt die Klauenkupplung 9 sich
ohne äußere Einwirkung
automatisch aus.
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Vorteilhafterweise
ist die zweite Rinne 16 in einer auf die Welle 2 aufgesetzten
Muffe 19 ausgebildet. Die Muffe 19 ist fest mit
der Welle 2 verbunden. Eine Drehverbindung um die Achse 1 zwischen
der Muffe 19 und der Welle 2 wird zum Beispiel
von Rillen 8 gewährleistet.
Die Muffe 19 wird in Translationsrichtung bezüglich der
Welle 2 blockiert, zum Beispiel mittels einer Schraube 5,
die in die Welle 2 geschraubt ist und deren Kopf sich auf
die Muffe 19 mittels einer Unterlegscheibe 6 auflegt.
Die Muffe 19 kann vorteilhafterweise als Anschlag für den inneren Käfig des
Wälzlagers 7 dienen.
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Vorteilhafterweise
weist die Kupplungsvorrichtung drei erste Rinnen 13, die
homogen um die Achse 1 verteilt sind, drei zweite Rinnen 16,
die in gleicher Weise wie die drei ersten Rinnen 13 verteilt sind,
drei rollende Elemente 17 auf.
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Genauer
gesagt, kann ein rollendes Element 17 zwischen einer der
drei ersten Rinnen 13 und einer der drei zweiten Rinnen 16 rollen.
Gleiches gilt für die
anderen Rinnen 13 und 16, die alle paarweise mit einem
rollenden Element 17 zwischen jeder Rinne 13 und 16 des
Paars arbeiten. Die drei Paare von Rinnen 13 und 16 sowie
ihr zugeordnetes rollendes Element 17 sind in den 2a und 2b in
abgewickelter Ansicht um die Achse 1 dargestellt. 2a zeigt die ausgerückte Stellung, und 2b zeigt die eingerückte Stellung. In den 2a und 2b sieht
man die drei Rinnen 13 in gegenseitiger Verlängerung
hergestellt und sich lotrecht zur Achse 1 erstreckend.
Man sieht ebenfalls die Schraubenform der drei Rinnen 16.
Der Schraubenwinkel der Rinnen 16 beträgt zum Beispiel 10°.
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Vorteilhafterweise
haben die Zähne
jeder Reihe komplementäre
Dreieckformen. Die Formen sind so hergestellt, dass, wenn die Antriebswelle 2 die
Abtriebswelle 3 antreibt, eine Verlängerung jeder in Kontakt stehenden
Fläche
jeder Zahnreihe die Achse 1 enthält.
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Ein
Zahnformbeispiel ist in 3 gut zu sehen. In anderen Worten,
wenn die Antriebswelle 2 die Welle 3 antreibt, übt jeder
Zahn 10 eine Kraft auf einen entsprechenden Zahn 11 in
einer Richtung lotrecht zur Achse 1 aus. Umgekehrt, wenn
die Abtriebswelle dazu tendiert, die Antriebswelle anzutreiben, übt jeder
Zahn 11 eine Kraft auf einen entsprechenden Zahn 10 in
einer derartigen Richtung aus, dass eine Komponente dieser Kraft
dazu tendiert, die zwei Reihen von Zähnen 10 und 11 zu
trennen und somit auszurücken. 3 ist
eine abgewickelte Teilansicht der Achse 1. Die Drehrichtung
der Wellen wird von dem Pfeil 20 dargestellt.
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Wenn
die Vorrichtung stillsteht, sind die Zähne 10 und 11 der
Klauenkupplung 9 aufgrund der Wirkung der Schraubenfeder 18 ausgekuppelt,
die das Antriebselement 12 in der im unteren Teil der 1 dargestellten Stellung,
ausgerückte
Stellung genannt, hält.
Man kann die Steifheit der Schraubenfeder 18 so wählen, dass,
wenn man die Antriebswelle 2 in Bewegung versetzt, die
Trägheit
des Antriebselements 12 ausreicht, damit die rollenden
Elemente 17 sich in den Rinnen 13 und 16 verschieben
und das Antriebselement 12 die ausgerückte Stellung verlässt, um
sich der eingerückten
Stellung anzunähern, die
im oberen Teil der 1 dargestellt ist. Selbst wenn
die Trägheit
des Antriebselements 12 nicht ausreicht, um die eingerückte Stellung
zu erreichen, genügt
es, dass die Zähne 10 und 11 miteinander
in Kontakt kommen, damit die Trägheit
des Antriebselements 12 sich erhöht, und damit folglich das
Antriebselement 12 die eingerückte Stellung erreicht.
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Die
Welle 2 kann sogar in Bewegung versetzt werden, wenn die
Abtriebswelle 3 nicht stillsteht. In diesem Fall, wenn
die Geschwindigkeit der Abtriebswelle 3, erfolgt das Ausrücken.
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Vorteilhafterweise
kann man das Einrücken verbessern,
wenn die Antriebswelle 2 sich in Bewegung setzt, indem
in der Vorrichtung eine Bremse 21 angeordnet wird, die
dazu bestimmt ist, das Antriebselement 12 in seiner Drehung
bezüglich
der Antriebswelle 2 zu verlangsamen. In der Praxis kann
die Bremse 21 im Gehäuse 4 angeordnet
sein und die Drehung des Antriebselements 12 bremsen. Durch Bremsen
des Antriebselements 12 bezüglich des Gehäuses 4 verlangsamt
man das Antriebselement 12 bezüglich der Antriebswelle 2,
wenn die Antriebswelle 2 sich in Bewegung setzt. Die Bremse
ist zum Beispiel eine Reluktanz-Bremse, um jede mechanische Reibung
zwischen dem Gehäuse 4 und
dem Antriebselement 2 zu vermeiden. In einer Ausführungsform, die
als Beispiel angegeben wird und in 4 dargestellt
ist, weist die Bremse 21 mehrere Kerben 22, die aus
einem magnetischen Material hergestellt sind, das zum Antriebselement 12 gehört, und
mehrere Dauermagnete 23 auf, die fest mit dem Gehäuse 4 verbunden
sind und mit dem magnetischen Material interagieren.
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Die
Kerben 22 befinden sich in einem äußeren zylindrischen Bereich 24 des
Antriebselements 12, einem zylindrischen Bereich 24 mit
einer Achse 1. Der zylindrische Bereich 24 wird
aus dem magnetischen Material hergestellt. Die Dauermagnete 23 befinden
sich in einem inneren zylindrischen Bereich 25 des Gehäuses 4,
der innere zylindrische Bereich 25 hat ebenfalls eine Achse 1,
so dass, wenn das Antriebselement 12 sich innerhalb des
Gehäuses 4 dreht,
jeder Dauermagnet 23 in magnetischer Wechselwirkung alternativ
mit einer Kerbe 22 und dann mit einem massiven Bereich 26 des
magnetischen Materials des Antriebselements 12 ist. Ein
massiver Bereich 26 trennt zwei Kerben 22, und
es gibt ebenso viele Kerben 22 wie massive Bereiche 26 auf
dem äußeren zylindrischen
Bereich 24. Die abwechselnde Wechselwirkung der Dauermagnete 23 mit
den Kerben 22 und den massiven Bereichen 26 erzeugt
Kräfte,
die dazu tendieren, das Antriebselement 12 in seiner Drehung
um die Achse 1 zu verlangsamen.
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Vorteilhafterweise
weist die Kupplungsvorrichtung Mittel auf, die die Drehung des Antriebselements 12 nur
in einer Drehrichtung um die Achse 1 erlauben.
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Diese
Mittel werden ebenfalls Freilauf genannt. Diese Mittel weisen zum
Beispiel mindestens eine bezüglich
eines fest mit dem Gehäuse 4 verbundenen
Käfigs 28 frei
drehende Laufrolle 27, eine Umdrehungsfläche 29,
die zum Antriebselement 2 gehört und deren Achse mit der
Drehachse 1 des Antriebselements zusammenfällt, eine
Rampe 30, die zum Gehäuse 4 gehört und bezüglich einer
Tangente zur Umdrehungsfläche 29 in
einer Zone der Umdrehungsfläche
geneigt ist, wo die Laufrolle 27 rollen kann, sowie ein
elastisches Element 31 auf, das der Verschiebung der Laufrolle 27 entlang
der Rampe 30 entgegenwirkt.
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In 4 wurden
sechs Laufrollen 27 mit ihrer Rampe 30 und ihrem
jeweiligen elastischen Element 31 dargestellt. Die Umdrehungsfläche 29 ist
der Gesamtheit der Laufrollen 27 gemeinsam.
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Wenn
das Antriebselement 12 dazu tendiert, in der vom Pfeil 32 dargestellten
Richtung zu drehen, verklemmen sich die Laufrollen 27 zwischen
ihren jeweiligen Rampen 30 und der Umdrehungsfläche 29, und
das Drehen ist unmöglich.
Wenn dagegen das Antriebselement 12 dazu tendiert, in der
umgekehrten Richtung zu drehen, d. h. derjenigen, die von dem Pfeil 33 dargestellt
wird, können
die Laufrollen 27 frei zwischen der Umdrehungsfläche 29 und
ihren jeweiligen Rampen rollen. In dieser Richtung 33 ist
die Drehung des Antriebselements 12 möglich.
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Wenn
außerdem
die Umdrehungsfläche 29 sich
in der Nahe der Kerben 22 und der massiven Bereiche 26 befindet,
so dass eine magnetische Wechselwirkung zwischen den Laufrollen 27 und
der Umdrehungsfläche
möglich
ist, tendiert eine Drehung des Antriebselements 12 dazu,
die Laufrollen 27 von der Umdrehungsfläche 29 zu entfernen,
indem das elastische Element 31 zusammengedrückt wird.
Dies ermöglicht
es, jede Reibung bei der Drehung des Antriebselements 12 bezüglich des
Gehäuses 4 zu
vermeiden.