-
Durch einen Permanentmagneten schaltbare Drehmomentkupplung Die Erfindung
betrifft eine durch einen Permanentmagneten schaltbare Drehmomentkupplung. Die Kupplung
ist in erster Linie geeignet für Getriebe, die häufig geschaltet werden müssen,
und zwar von Hand, und daher leicht bedienbar sein sollen, wie insbesondere Kraftfahrzeug-und
Werkzeugmaschinengetriebe.
-
Es sind Getriebe mit Kupplungen bekannt, bei denen die Kupplungsteile
durch Federkraft in ihrer jeweiligen Schaltstellung gehalten werden. Dabei wird
durch Zwischenschalten mechanischer Übertragungsglieder, wie Hebel und Klinken,
dafür gesorgt, daß beim jeweiligen Umschalten des Getriebes nicht der volle Federdruck
von dem Steuerorgan aufgebracht, sondern die Federkraft nur von der einen Kupplungsstellung
zur anderen umgelenkt zu werden braucht. Es ist jedoch schwierig, mittels derartiger
mechanischer Übertragungsglieder die erforderlichen Kupplungskräfte zu übertragen,
auch wird der für die Bedienung eines derartigen Getriebes verbundene Kraftaufwand
sehr groß.
-
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, Kupplungen magnetisch zu
betätigen, und zwar sowohl mit Hilfe von Elektromagneten wie von Permanentmagneten.
Die Erfindung betrifft eine besondere Ausgestaltung permanentmagnetischer Kupplungen.
Vorliegend wird eine durch einen Permanentmagneten, schaltbare Drehmomentkupplung
vorgeschlagen, bei der - wie an sich bekannt - der ohne Unterbrechung umlenkbare
MagnetfluB in der Einschaltstellung des Permanentmagneten die Kupplungsflächen durchsetzt
und, in der Aussthältstellung
unter Umgehung der Kupplungsflächen
kurzgeschlossen ist. Erfindungsgemäß erfolgt bei einer Drehmomentkupplung dieser
Bauart das an sich bekannte Verschieben von Kupplungsstelle zu Kupplungsstelle des
gegen Umlauf festgehaltenen Permanentmagneten in die Ein- und Ausschaltstellung
in einem feststehenden Gehäuse, und die Einrichtung ist so getroffen, daß die Kupplungsflächen
in der Einschaltstellung vom Magnetfluß senkrecht durchflutet werden.
-
Es sind schon permanentmagnetisch schaltbare Drehmomentkupplungen
bekannt, bei denen das Schalten ohne Abreißen des Magnetflusses erfolgt. Jedoch
liefen bei den bekannten Drehmomentkupplungen dieser Bauart der Permanentmagnet
und sein Gehäuse mit um, was komplizierte Verstellvorrichtungen erforderlich macht.
Ferner klebte diese ältere Kupplung leicht in der Lamellenverzahnung, weil der Magnetfluß
im wesentlichen parallel zu den Kupplungsflächen verlief.
-
Ein weiterer Vorteil zeigt sich besonders deutlich bei der Anwendung
der Erfindung auf Lamellenkupplungen. Der auftretende Abrieb wird ohne umständliches
Nachstellen der Kupplung ausgeglichen.
-
In der Ausbildung als Mehrfachkupplung gleitet in einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung der Permanentmagnet von Kupplungsstelle zu Kupplungsstelle.
-
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben.
-
Fig. I ist eine teilweise geschnittene Ansicht einer Lamellenkupplung
in einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 ist ein Schnitt nach Linie II-II
der Fig. I ; Fig. 3 veranschaulicht in einer der Fig. I entsprechenden Darstellung
eine abgeänderte Ausführungsform; Fig. 4 ist ein Schnitt nach Linie IV-IV der Fig.
3 ; Fig.5 veranschaulicht in vereinfachter Darstellungeinen Schnitt durch eine Mehrfachkupplung,
und zwar handelt es sich um die Gangschaltung für ein Kraftfahrzeug; Fig.6 ist ein
Schnitt längs Linie VI-VI der Fig. 5.
-
In Fig. I und 2 ist eine Lamellenkupplung dargestellt, die die Wellen
I und 2 miteinander zu kuppeln gestattet.
-
Mit der Welle z fest verbunden ist die Büchse 3 aus nicht magnetisierbarem
Werkstoff. Mit Teil 3 sind die Innenlamellen 5 der Lamellenkupplung längs verschieblich
verzahnt. Die Außenlamellen 4 sind mit einem auf der Welle I aufgekeilten Tragstück
9 aus nicht magnetisierbarem Werkstoff längs verschieblich verzahnt. Den beiden
Stirnflächen der Lamellensätze 4, 5 stehen die Ringscheiben 6, 7 aus magnetisierbarem
Werkstoff gegenüber. Diesen Ringscheiben stehen in geringem Abstand die Polschuhe
2o, 2oa gegenüber, die in das Getriebegehäuse Io aus nicht magnetisierbarem Werkstoff
eingelassen sind. Wie aus Fig. 2 für den Polschuh 2o ersichtlich, umgreifen die
Polschuhe zweckmäßig die Ringscheiben 6 und 7 längs eines erheblichen Teils des
Scheibenumfangs.
-
Das Tragstück 9 wird von zapfenförmigen Ansätzen 8 aus magnetisierbarem
Werkstoff durchsetzt, mit denen die Ringscheibe 6 ausgerüstet ist. Die Stirnflächen
der Zapfen 8 wirken mit der einen Stirnfläche des Lamellenpakets 4, 5 zusammen,
während die andere Stirnfläche des Lamellenpakets mit der Ringscheibe 7 zusammenwirkt.
-
Die Ringscheibe 7 sitzt axial verschieblich auf der Büchse 3, nimmt
jedoch an der Drehung der Büchse teil; sie greift vorzugsweise in die gleiche Zahnung
der Büchse ein wie die Innenlamellen 5. Die Ringscheibe 6 sitzt bei dem in Fig.
I und dargestellten Ausführungsbeispiel fest auf dem Tragstück 9, ist also nicht
axial verschieblich.
-
Der mit der Kupplung zusammenwirkende Permanentmagnetkann von beliebiger
Bauart sein, beispielsweise kann der in Fig.5 schematisch dargestellte Permanentmagnet
M verwendet werden. Der Permanentmagnet wird relativ zu den Polschuhen 2o, 2oa verschiebbar
angeordnet. Sobald einer der Magnetpole dem Polschuh 2o und der andere dem Polschuh
2oa gegenübersteht, ist die Kupplung eingeschaltet. Stehen dagegen beide Pole des
Permanentmagneten in Berührung mit dem Polschuh 2o, so ist der Magnetfluß über diesen
Polschuh 2o kurzgeschlossen, und die Kupplung ist ausgeschaltet.
-
In Fig. I ist durch ,den Pfeil der Magnetfluß bei eingeschalteter
Kupplung angedeutet. Die Magnetkraft bewirkt ein Zusammenpressen der Lamellensätze
zwischen den Ringscheiben 6 und 7.
-
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 und liegen die Reiblamellen 24,
25 zwischen einer Welle 2I und dem mit einem äußeren Zahnkranz 22a und einem inneren
Zahnkranz 22b ausgerüsteten Getrieberad 22. In die Innenzähne 22b greifen längs
verschneblich die Außenlamellen 25 ein, während die Innenlamellen 24 der Kupplung
in den äußeren Zahnkranz 29 der Welle 21 eingreifen. In den auf der Welle 2I vorgesehenen
Zahnkranz 29 greifen auch die den beiden Stirnflächen der Lamellensätze 24, 25 gegenüberstehenden
Ringscheiben 16, 17 ein. Die beiden Ringscheiben sowie der Lamellensatz 24 sind
in dem Zahnkranz 29 in Achsenrichtung verschiebbar.
-
Unter Belassung nur eines geringen Luftspaltes stehen den Ringscheiben
16 und I7 die Polschuhe 2o und 2oa gegenüber, die zum Ein- und Ausschalten der-
Kupplung mit einem nicht dargestellten Permanentmagneten in der gleichen Weise zusammenarbeiten,
wie dies unter Bezugnahme auf Fig. i .und 2 für die erste Ausführungsform der Erfindung
geschildert ist.
-
Die Ringscheiben 16 und 17 bestehen ebenso wie die Polschuhe 2o und
2o« aus magnetisierbarem Werkstoff, während die miteinander zu kuppelnden Getriebeteile
21 und 22 sowie :das Gehäuse i o aus nicht magnetisierbarem Werkstoff hergestellt
sind. Die Ringscheiben 16 und 17 sind bezüglich der Drehung kraftschlüssig, jedoch
längs verschieblich mit der Welle 2:1 verbunden.
Bei beiden vorstehend
geschilderten Ausführungsformen ergibt die gleichsinnige magnetische Durchflutung
der Reiblamellen eine praktisch verlustlose Führung des Magnetfeldes. Der geometrisch
einfach gestaltete Weg der Kraftlinien ergibt geringe Streuung und damit günstige
Ausnutzung der Kraft des Permanentmagneten.
-
Von den feststehenden Polschuhen 2o, 2oa geht bei eingeschalteter
Kupplung das Magnetfeld über je einen kleinen Luftspalt auf die umlaufenden Ringscheiben
6, 7 bzw. 16, 17 über. Wie schon erwähnt, sind die Ringscheiben oder ist zumindest
jeweils, eine der Ringscheiben in Achsrichtung verschieblich angeordnet. Das durch
die kleinen Luftspalte gesicherte freie Spiel zwischen den feststehenden Polschuhen
und den sich drehenden Ringscheiben wird demgemäß zugleich für die magnetische Hubbewegung
innerhalb der Kupplung ausgenutzt.
-
Die den Lamellen zugekehrten Flächen der Ringscheiben bilden je eine
weitere Reibfläche der Kupplung. Gegenüber Abrieb stellt sich die magnetische Lamellenkupplung
der vorliegenden Bauarten selbsttätig nach.
-
Die Erfindung eignet sich insbesondere auch für Mehrfachkupplungen
in raumsparender Anordnung, die mit geringem Kraftaufwand zuverlässig bedienbar
sind. Eine solche Mehrfachkupplung wird im folgenden am Beispiel einer Gangschaltung
für ein Kraftfahrzeug näher beschrieben. Jedem Gang ist eine besondere Kupplung
zugeordnet. Durch Ein- und Ausschalten einer dieser Einzelkupplungen wird unmittelbar
der betreffende Gang ein-und ausgeschaltet. Mehrere Einzelleupplungen sind vorzugsweise
nebeneinander angeordnet. Es können auch zueinander versetzt liegende Einzelkupplungen
oder Gruppen von Einzelkupplungen vorgesehen sein. Die Mehrfachkupplung kann so
ausgestaltet sein, daß auch die versetzt zueinander, also nicht längs der gleichen
Achse liegenden Kupplungen durch geradliniges Verschieben eines einzigen Permanentmagneten
geschaltet werden. Dies wird im folgenden an Hand der Fig. 5 und 6 am Beispiel einer
Kraftfahrzeugkupplung mit vier Vorwärtsgängen und einem Rückwärtsgang näher erläutert.
-
In einem Gehäuse 7o aus nicht magnetisierbarem Werkstoff sind die
miteinander zu kuppelnden Wellen 71 und 72 drehbar gelagert. Zwischen den Wellen
sind vier im gleichen Drehsinn kuppelnde Einzelkupplungen 1, 1I, III, IV und eine
im entgegengesetzten Drehsinn wirkende Rückwärtskupplung R vorgesehen. Die Einzelkupplungen
II, III und IV sitzen nebeneinander koaxial zur Welle 71; die Einzelkupplungen I
und R bilden eine zweite Kupplungsgruppe, die koaxial zur Welle 72 sitzt.
-
Auf der Welle 71 sitzen die Zahnräder 103 und II3. Ferner sind gemeinsam
mit dieser Welle umlaufende, jedoch in Achsrichtung verschiebbare Ringscheiben 93,
94, 95 und 96 vorgesehen. Entsprechend sind auf der Welle 72 die Ringscheiben 97,
98, 99 mit der Welle 72 umlaufend, jedoch in Achsrichtung der Welle verschieblich
angeordnet, ferner die fest auf dieser Welle sitzenden Getriebezahnräder Ioo, I3o,
I4o.
-
Bei den Kupplungen III und IV' erfolgt die übertragung der Drehbewegung
von der Welle 71 auf die Welle 72 über je ein Zwischenzahnrad 132 bzw. I42 und das
Getrieberad 13o bzw. I4o. Die Zwischenzahnräder 132 und 142 arbeiten mit der zugehörigen
Lamellenkupplung in der gleichen Weise zusammen, wie dies bei der zuvor beschriebenen
Ausführungsform der Erfindung für das Zahnrad 22 unter Bezugnahme auf Fig. 3 schon
beschrieben worden ist. An der Kupplungsstelle II greifen die Außenlamellen unmittelbar
in die Außenverzahnung des Getrieberades I2o ein. An der Kupplungsstelle I kämmt
das Zahnrad 113 mit dem äußeren Zahnkranz eines Getrieberades IIo, in dessen inneren
Zahnkranz die Außenlamellen des zugehörigen Lamellenpakets drehfest und axial verschieblich
eingreifen. In entsprechender Weise arbeiten an der Kupplungsstelle R die Zahnräder
103 und Ioo und die Außenlamellen dieser Einzelkupplung miteinander, jedoch zwecks
Umkehr des Drehsinns (Rückwärtsgang) unter Zwischenschaltung eines in Fig. 5 nicht
sichtbaren Zahnrades zwischen den Zahnrädern Ioo und 1o3, Auf dem Gehäuse 7o ist
der Permanentmagnet M verschiebbar angeordnet. Zur Vervollständigung des magnetischen
Weges dient ein Gehäusedeckel 8o aus magnetisierbarem Werkstoff. Die Schiebestange
76 des Permanentmagneten ist über geeignete, nicht dargestellte Zwischenglieder
mit dem voll dem Fahrer des Kraftfahrzeuges zu bedienenden Gangschalter verbunden.
Die Gangschaltung kann auch automatisch gesteuert werden.
-
In das Getriebegehäuse 70 sind die Polschuhe 90, 9I, 92 und 92a eingelassen,
denen, ähnlich wie bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. I bis 4, unter Freilassung
eines geringen Luftspaltes 74 bzw. 75 die Ringscheiben gegenüberstehen, welche bei
Einschaltung der betreffenden Kupplung jeweils das betreffende Lamellenpaket zusammenpressen.
-
Um einen günstigen Übergang des Magnetflusses zu den Ringscheiben
zu gewährleisten, sind auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und 6 die-Polschuhe
so ausgebildet, daß sie die Ringscheiben längs eines beträchtlichen Teiles des Ringscheibenumfanges
umgreifen. Die Polschuhe 9o sind ganz ähnlich gestaltet wie :die Polschuhe 2o der
zuerst beschriebenen Ausführungsformen (Fig.2 und 4).
-
Die bei der Betätigung der Kupplung I (direkter Gang) sowie der Kupplung
R (Rückwärtsgang) mitwirkenden Polschuhe 92 und 92a sind etwas anders gestaltet.
Die Formgebung ergibt sich am klarsten aus Fig.6. Für -diese beiden langsamen Gänge
liegen die Lamellenpakete, wie schon erwähnt, ko,axiul zur Welle 72. Die Polschuhe
92 und 92a müssen mit den auf der Welle 72 sitzen-,den Ringscheiben 98, 99 zusammenarbeiten
und sind daher länger als die Polschuhe 9o. jeder der Polschuhe 92 und 9a11 ist
außerdem mit einer den freien Durchtritt der Welle 71 ermöglichenden Aussparung
73 versehen.
jede der Ringscheiben 94, 95 und 98, die zwischen je
zwei Einzelkupplungen der gleichen Kupplungsgruppe liegen, arbeitet mit diesen beiden
Kupplungen zusammen. Die Ringscheibe 94 wirkt also sowohl für das Schalten der Kupplung
III wie der Kupplung IV mit, die Ringscheibe 95 für das Schalten der Kupplungen
II und III und die Ringscheibe 98 für das Schalten der Kupplungen R und I. Diese
Doppelfunktion ergibt eine besonders gedrungene raumsparende Bauweise.
-
Raumsparend wirkt ferner die Ausgestaltung des Polschuhes 9I derart,
daß er sowohl mit der Ringscheibe 96 für das Schalten der Kupplung II wie mit der
Ringscheibe 97 für das Schalten der Kupplung I zusammenwirkt. Der Polschuh 9I besitzt
daher eine die Ringscheibe 96 unter Freilassung nur eines schmalen Luftspaltes 74
umfassende Aussparung, umfaßt also die Ringscheibe 96 längs ihres gesamten Umfanges,
während er die Ringscheibe 97 teilweise umfaßt, wie dies für den Polschuh 92 und
die Ringscheibe 98 in Fig. 6 veranschaulicht :ist.
-
Die gemäß Fig.5 waagerecht verlaufenden Schenkel der Polschuhe 9o,
9i und 92 sind so bemessen, daß sie bei entsprechender Verschiebung des Permanentmagneten
M diesen kurzschließen können, wodurch dann die Kupplungen ausgeschaltet sind. In
einer solchen ausgeschalteten Lage ist die Mehrfachkupplung in Fig.5 dargestellt,
und zwar in derjenigen Stellung, in der unmittelbar entweder der Rückwärtsgang durch
Verschieben nach rechts oder der I. Gang durch Verschieben nach links eingeschaltet
werden kann. Bei weiterer Verschiebung nach links werden nacheinander der 2., 3.
und 4. Gang eingeschaltet.
-
Es ist ersichtlich, daß in der vorliegenden Anordnung mit ganz geringem
Kraftaufwand der Magnetfluß von einer Einzelkupplung zur nächsten Einzelkupplung
umgeleitet und, somit ein anderer Getriebegang eingeschaltet werden kann.
-
Die das Weiterleiten des Magnetflusses zu den Lamellen über die Ringscheiben
bewirkenden Polschuhe 9o, 9I und 92, die außerdem das Kurzschließen des Permanentmagneten
in der Leerlaufstellung besorgen, sind so angeordnet, daß beim Umschalten von einem
Gang auf den anderen jeweils zunächst eine Leerlaufstellung im Getriebe erreicht
wird. Da also beim Übergang von einem Gang zu einem anderen Gang immer zuerst der
Magnetfluß kurzgeschlossen wird, ist das Getriebe jeweils ohne Drehmomentübertragung,
bevor der nächste Gang durch weiteres Verschieben des Permanentmagneten eingeschaltet
wird.
-
Ein Umschalten unter Überspringen des nächstliegenden Ganges ist bei
der Kupplung nach der Erfindung unmöglich, im Gegensatz zu bekannten Gangschaltungen,
bei denen ein versehentliches Überspringen einer Gangstufe nicht immer ausgeschlossen
ist. Die Gangschaltung nach der Erfindung schont daher das Getriebe, da automatisch
die Zwischengänge jeweils durchgeschaltet werden.
-
Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß bei eingeschaltetem Getriebegang
auch stets die Kupplung eingeschaltet bleibt. Ein mit der Getriebeschaltung nach
der Erfindung ausgerüsteter Kraftwagen kann beispielsweise bei eingeschaltetem Gang
und stillgesetztem Motor auch auf abschüssiger Straße niemals wegrollen.
-
Der Permanentmagnet kann innerhalb der Kupplung auch anders angeordnet
sein, als in Fig. 5 und 6 dargestellt ist, beispielsweise innerhalb oder zwischen
den Getriebewellen. Es ist zweckmäßig, jeweils die Anordnung so zu treffen, daß
die für die Führung des Magnetflusses dienenden Polschuhe möglichst kurz werden.
-
Bei allen Kupplungen nach der Erfindung bestehen die zur Leitung des
Magnetflusses mitwirkenden Teile des Getriebes aus magnetisch hoch permeablen Werkstoffen.
Die übrigen Teile werden zwecks möglichst verlustloser Führung des Magnetflusses
aus schwach permeablen Eisensorten bzw. aus nicht magnetisierbarem Werkstoff hergestellt.
Der Ausdruck nicht magnetisierbarer Werkstoff ist dahin zu verstehen, daß dazu auch
schwach magnetisierbare Werkstoffe gehören. Das Getriebegehäuse kann beispielsweise
aus Leichtmetall hergestellt sein. Unter magnetisierbarem Werkstoff ist im Sinne
der Beschreibung gut magnetisierbarer Werkstoff zu verstehen. In vielen Fällen kann
hierfür Weicheisen verwendet werden. Die Lamellen bestehen ebenfalls aus gut magnetisierbarem
Werkstoff, vorzugsweise aus Stahlblech mit guter magnetischer Durchlässigkeit und
guter Permeabilität.
-
Die Kupplung nach der Erfindung ermöglicht durch Anwendung des Prinzips
der magnetischen Weiche ein häufiges zuverlässiges Schalten mit geringem Kraftaufwand.
Trotzdem kann die Aufrechterhaltung eines hohen Anpreßdrucks der eingeschalteten
Kupplung sichergestellt werden. Die Kupplung bleibt während einer langen Betriebszeit
brauchbar, weil die permanentmagnetische Kraft nicht absinkt und die Kupplung sich
gegenüber. Abrieb der Lamellen selbsttätig nachstellt.
-
Es versteht sich von selbst, daß die Anordnung auch in kinematischer
Umkehr so getroffen werden kann, daß bei stillstehendem Permanentmagneten die übrigen
Teile der Kupplung verschoben werden. Auch in noch anderer Weise kann das Ein- und
Ausschalten des Permanentmagneten bewirkt werden, beispielsweise mittels abhebbarer
Kurzschlußstücke.