WO2017097516A1 - Formschlusskupplung mit einem rückstellelement - Google Patents

Formschlusskupplung mit einem rückstellelement Download PDF

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WO2017097516A1
WO2017097516A1 PCT/EP2016/076899 EP2016076899W WO2017097516A1 WO 2017097516 A1 WO2017097516 A1 WO 2017097516A1 EP 2016076899 W EP2016076899 W EP 2016076899W WO 2017097516 A1 WO2017097516 A1 WO 2017097516A1
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force
connecting element
input
closed position
open position
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PCT/EP2016/076899
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French (fr)
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Martin Ruider
Michael Pantke
Johannes Winkler
Matthias Cudok
Martin HAIN
Alexander Markow
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Zf Friedrichshafen Ag
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D27/00—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor
    • F16D27/10—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor with an electromagnet not rotating with a clutching member, i.e. without collecting rings
    • F16D27/118—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor with an electromagnet not rotating with a clutching member, i.e. without collecting rings with interengaging jaws or gear teeth
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D11/00—Clutches in which the members have interengaging parts
    • F16D11/14—Clutches in which the members have interengaging parts with clutching members movable only axially
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D27/00—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor
    • F16D27/10—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor with an electromagnet not rotating with a clutching member, i.e. without collecting rings
    • F16D27/108—Magnetically- or electrically- actuated clutches; Control or electric circuits therefor with an electromagnet not rotating with a clutching member, i.e. without collecting rings with axially movable clutching members

Definitions

  • the present invention relates to a form-locking coupling according to the preamble of patent claim 1.
  • a generic form-fitting coupling for changing the connection and disconnection of a front or a rear axle in a four-wheel drive of a vehicle is already apparent from DE 10 2013 205 174 A1.
  • the form-locking coupling is designed there as an electromagnetic normally-closed jaw clutch.
  • a solenoid is energized, whereby an axially displaceable with a magnet armature and also toothed connection element of the two shafts is displaced against the action of a return or engagement spring such that an existing positive engagement of participating Gears and thus the mutual rotational drive of the waves can be canceled.
  • a return displacement of the connecting element to allow a rotational drive of the waves is effected solely by the force of the engagement spring.
  • the electromagnetic actuator can perform an axial lifting only in one of the two directions of movement substantially independent of an impressed current direction, so that to enable a movement in the opposite direction usually designed as a spring element return element is required.
  • the spring element usually has an approximately linear force characteristic with a relation to the stroke of the magnet armature positive spring rate.
  • the force of the return spring from the beginning of the stroke to the stroke end increases continuously, usually linearly.
  • the force characteristic of the electromagnetic linear actuator also increases exponentially, in particular, with a reduction in the air gap remaining between the electromagnet and the magnet armature.
  • the return spring acts with a predetermined biasing force on the connecting element.
  • this biasing force should be compared to a producible Ak- torkraft be as small as possible.
  • the present invention has for its object to provide a form-locking coupling, which solves the above-described problem.
  • an axially operable form-locking coupling which comprises an input shaft with an input toothing and an output shaft with an output toothing.
  • the shafts are arranged coaxially with each other with a common axis of rotation, that is, that their axes coincide.
  • the positive-locking clutch further comprises an axially displaceable along the axial direction between a closed position and an open position of the coupling connecting element, which has a driving teeth for cooperation with the input teeth of the input shaft and with the output teeth of the output shaft, wherein the connecting element in the closed sen position of the clutch with the input shaft and the output shaft cooperates and there is a mutual rotational drive of the input and output shaft and wherein in an open position of the clutch, the mutual rotational drive of input and output shaft is repealed.
  • the connecting element may occupy an engaged position located in an actuation path between the open position and the closed position, in which the entrainment toothing first engages with the input toothing or the output toothing during the transition from the open position to the closed position arrives.
  • the form-locking coupling includes an actuating device, which is in operative connection with the connecting element and which is designed for displacement of the connecting element from the closed position to the open position. Further, an elastic return element is provided, which loads the connecting element in the direction of the closed position with a restoring force.
  • the form-fitting coupling formed above is characterized in that the restoring element has a force-displacement characteristic with a local maximum force, this maximum force coinciding at the actuating path at least approximately with the meshing position of the connecting element.
  • the force of the restoring element can be reduced in the open position relative to the force acting on the Einspur- position force with further advantage to solve the problem initially posed.
  • the force of the return element in the closed position can be reduced in relation to the force acting on the single-track position.
  • the force of the return element in the closed position relative to the open position acting force can be reduced.
  • the force-displacement characteristic of the return element between the closed position and the open position may have only a local force maximum.
  • the return element may be formed as a plate spring with the force-displacement characteristic described above.
  • Disc springs are available in numerous designs, relatively inexpensive, space-saving and can be designed and manufactured by calculation programs targeted with a desired spring characteristic.
  • Such a plate spring can be installed with the introduction of a desired bias in the form-fitting coupling, that upon actuation of the actuator, a defined selected range is traversed by the characteristic curve.
  • the plate spring may have a peripherally closed edge region and spring tongues oriented radially inward or radially outward.
  • the plate spring can be executed cranked for further space savings.
  • a development of the invention provides to form the actuator for electromagnetic actuation with an electromagnet and a relative to this movable anchor, which is operatively connected to the connecting element or this forms.
  • the form-locking coupling can be designed as a separating clutch in a drive train of a motor vehicle for transmitting a vehicle drive torque and used there.
  • Fig. 1 is a sectional view of an electromagnetically actuated form-locking coupling
  • Fig. 2 is a force-displacement characteristic of a plate spring
  • FIG. 3 shows a plate spring with radially inwardly directed spring tongues.
  • Fig. 4 is a plate spring with radially outwardly facing spring tongues.
  • Fig. 1 shows a arranged in a drive train of a hybrid vehicle form-locking clutch 10, which is functionally effective as a disconnect coupling between two here not graphically illustrated drive units, in particular between an internal combustion engine and an electric machine and the same in the closed state, a drive torque of the engine in a here as well not shown gear change can be initiated. To start the internal combustion engine, a torque can be transmitted from the electric machine to the internal combustion engine even when the clutch 10 is closed.
  • the form-locking coupling 10 can be arranged in particular space-saving within the electrical machine.
  • the form-locking coupling 10 initially has an input shaft 12, on whose end region located in the interior of the coupling, a toothed disk 14 with an outer input toothing 14a is arranged.
  • an output shaft 16 which is embodied here as a hollow shaft, is mounted, which comprises a toothed disk 18 with an outer output toothing 18a on the end region facing the input shaft 12 on an axial projection 16a enclosing the input shaft 12.
  • the axes A of the waves coincide and simultaneously form a coupling axis A.
  • the shafts 12, 16 are arranged axially adjacent.
  • the shafts 12, 16 may also be mounted concentrically with one another.
  • the two toothed disks 14, 18 are each fixed in rotation by means of further toothings 14b, 18b formed on their inner circumference, and also fixed axially non-displaceably on the shafts 12, 16 by means of toothings 12a, 16b formed there.
  • the input teeth 14a and the output teeth 18a are each executed on a common pitch circle diameter of the toothed disks 14, 18.
  • the toothed disks are separated axially by a gap 20 and can cooperate with a connecting element 22 located radially outwards and designed as a sliding sleeve.
  • the connecting element 22 has an inner driving toothing 22a which is formed corresponding to the input toothing 14a of the input shaft 12 and to the output toothing 18a of the output shaft 16 and by means of which the connecting element 22 axially along the axial direction A between a closed position and an open position of the clutch 10 is displaceably guided.
  • the connecting element 22 is fixed for carrying out this displacement movement with a radial flange 22b in a central receiving region of an axially displaceable pot-shaped magnet armature 24, which is part of an electromagnetic actuator 26, more precisely a monostable electromagnetic actuator 26.
  • the magnet armature 24 is for this purpose made of a ferromagnetic material, for example made of a steel material.
  • the magnet armature 24 can be axially moved by the magnetic field of an axially adjacent thereto and fixed to the housing annular solenoid 28 thereto.
  • the positive-locking clutch 10 in the present case is of the normally-closed type.
  • FIGS. 3, 4 two disc springs 32a, 32b are shown by way of example in a plurality of views for use as return springs.
  • the disc springs 32a, b each have a peripherally closed edge region 321 a, 321 b and of this protruding spring tongues 322a, 322b, which may be aligned according to FIG. 3 radially inward or according to FIG. 4 radially au Shen.
  • the disc springs can continue to be cranked in the axial direction.
  • the spring characteristic is shown in agreement with the function of the form-locking coupling 10 shown in FIG. 1 such that the path s on the abscissa coincides with the direction of movement of the magnet armature 26, ie with its stroke when the electromagnet 28 is energized.
  • the spring characteristic curve accordingly has a first branch or section I with a positive spring rate, in which an increasing deformation or compression of the plate spring 32 along the path s is accompanied by a force F which likewise rises nonlinearly up to the maximum in P1 and a adjoining second branch or section II with a negative spring rate at which a further deformation or compression of the plate spring 32 is accompanied by a sinking force F.
  • the plate spring 32 is au ßerdem installed so that the occupied in s1 maximum force F1 at point P1 is approximately at a position in which the driving teeth 22a of the driving element 22 at the transition from the open position to the closed position for the first time engaged the output teeth 18a of the output shaft 16 passes.
  • the maximum force P1 of the plate spring 23 thus coincides at the actuating path at least approximately with the meshing position of the connecting element 22.
  • the magnet armature 26 with the connecting element 22 can shift from PO to the left, whereby the maximum force F1 in P1 is passed and finally the open position of the clutch with the end position P2 is reached. Since here the associated force F2 is reduced compared to F1, the acting magnetic force can be correspondingly reduced by lowering an electrical excitation of the electromagnet 28. It can also be seen that the force F2 is significantly greater than the biasing force FO. In this state P2, the rotational drive between the input and output shafts 12, 16 is canceled.
  • the electromagnet 28 is deenergized, as a result of which the magnet armature 26 with the connecting element 22 can move from P2, under the action of the return spring 32, to the right again.
  • the return spring 32 relaxes with simultaneous increase in force up to the maximum value F1 in P1.

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Abstract

Es wird eine axial betätigbare Formschlusskupplung (10) beschrieben, welche eine Eingangswelle (12) mit einer Eingangsverzahnung (14a) und eine Ausgangswelle (16) mit einer Ausgangsverzahnung (18a) umfasst, wobei die Wellen (12, 16) koaxial zueinander mit einer gemeinsamen Achse (A) angeordnet sind. Dabei ist ein axial entlang der Achse (A) zwischen einer geschlossen-Stellung und einer offen-Stellung der Kupplung (10) verschiebbares Verbindungselement (22) vorgesehen, welches eine Mitnahmeverzahnung (22a) zum Zusammenwirken mit der Eingangsverzahnung (14a) der Eingangswelle (12) und mit der Ausgangsverzahnung (18a) der Ausgangswelle (16) aufweist, und wobei das Verbindungselement (22) in der geschlossen-Stellung der Kupplung (10) mit der Eingangswelle (12) und der Ausgangswelle (16) zusammenwirkt und eine gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle (12, 16) vorliegt und wobei in einer offen-Stellung der Kupplung (10) die gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle (12, 16) aufgehoben ist. Das Verbindungselement (22) kann eine in einem Betätigungsweg (s) zwischen der offen-Stellung und der geschlossen-Stellung befindliche Einspur-Position einnehmen, in der die Mitnahmeverzahnung (22a) beim Übergang von der offen-Stellung in die geschlossen-Stellung erstmals in Eingriff mit der Eingangsverzahnung (14a) oder der Ausgangsverzahnung (18a) gelangt. Die Kupplung (10) umfasst weiter eine Betätigungseinrichtung (26), die mit dem Verbindungselement (22) in Wirkverbindung steht und die zur Verschiebung des Verbindungselementes (22) von der geschlossen-Stellung zur offen-Stellung ausgebildet ist, und ein elastisches Rückstellelement (32), welches das Verbindungselement (22) in Richtung der geschlossen-Stellung mit einer Rückstellkraft belastet. Dabei weist das Rückstellelement (32) eine Kraft-Weg-Kennlinie mit einem lokalen Kraftmaximum (F1) auf, welches am Betätigungsweg (s) zumindest näherungsweise mit der Einspur-Position des Verbindungselementes (22) zusammenfällt.

Description

Formschlusskupplung mit einem Rückstellelement
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Formschlusskupplung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Eine gattungsgemäße Formschlusskupplung zum wechselnden Zu- und Abschalten einer Vorder- oder einer Hinterachse bei einem Allradantrieb eines Fahrzeugs geht bereits aus der DE 10 2013 205 174 A1 hervor. Die Formschlusskupplung ist dort als eine elektromagnetische normally-closed Klauenkupplung ausgeführt. Zur Aufhebung einer Drehmitnahme zwischen einer verzahnten Eingangs- und einer Ausgangswelle wird ein Elektromagnet bestromt, wodurch ein mit einem Magnetanker axial verlagerbares und gleichfalls verzahntes Verbindungselement der beiden Wellen entgegen der Wirkung einer Rückstell- bzw. Einrückfeder derart verlagert wird, dass ein bestehender Formschluss der beteiligten Verzahnungen und somit die gegenseitige Drehmitnahme der Wellen aufgehoben werden kann. Eine Rückverlagerung des Verbindungselementes zur Ermöglichung einer Drehmitnahme der Wellen erfolgt allein durch die Kraft der Einrückfeder.
Bei einer derartigen Formschlusskupplung besteht das Problem, das die elektromagnetische Betätigungseinrichtung im Wesentlichen unabhängig von einer eingeprägten Stromrichtung eine axiale Hubarbeit lediglich in einer der beiden Bewegungsrichtungen ausführen kann, so dass zur Ermöglichung einer Bewegung in der Gegenrichtung meistens ein als Federelement ausgebildetes Rückstellelement erforderlich ist. Das Federelement besitzt üblicherweise eine näherungsweise lineare Kraftkennlinie mit einer bezogen auf den Hubweg des Magnetankers positiven Federrate. Somit steigt die Kraft der Rückstellfeder vom Hubanfang bis zum Hubende kontinuierlich, zumeist linear, an. Die Kraftkennlinie des elektromagnetischen Linearaktors steigt damit einhergehend gleichfalls unter einer Verringerung des zwischen dem Elektromagneten und dem Magnetanker verbleibenden Luftspalts insbesondere ex- ponentiell an. Zur sicheren Aufrechterhaltung einer geschlossen-Stellung der erläuterten normally-closed-Kupplung wirkt die Rückstellfeder mit einer vorbestimmten Vorspannkraft auf das Verbindungselement. Zur Erzielung einer möglichst hohen Dynamik der Kupplung sollte diese Vorspannkraft gegenüber einer erzeugbaren Ak- torkraft möglichst klein sein. Bei geöffneter Kupplung ist der Luftspalt minimiert und es besteht in diesem statischen Zustand ein Kräftegleichgewicht zwischen der Magnetkraft und der Federkraft.
Zur Erhöhung der Effizienz der Formschlusskupplung wäre einerseits in dieser Stellung eine Verringerung der Federkraft wünschenswert, wobei gleichzeitig der Erregerstrom des Elektromagneten reduziert werden könnte. Andererseits ist jedoch beim Zurückgehen des Verbindungselements an der Einspur-Position der Verzahnungen von Verbindungselement und Ausgangswelle eine gegenüber der offen-Stellung vergleichsweise große Kraft erforderlich, um bei einer hohen Relativdrehzahl ein zügiges Einspuren des axial verlagerbaren Verbindungselements in eine Zahnlücke des Partners sowie ein Durchschalten der Kupplung auch gegen ein begrenztes Drehmoment zu ermöglichen und eine dabei gegebenenfalls vorliegende Zahn-auf-Zahn- Stellung der beteiligten Verzahnungen zu überwinden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Formschlusskupplung bereitzustellen, welche das vorstehend erläuterte Problem löst.
Diese Aufgabe wird durch eine Formschlusskupplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar.
Es wird demnach eine axial betätigbare Formschlusskupplung vorgeschlagen, welche eine Eingangswelle mit einer Eingangsverzahnung und eine Ausgangswelle mit einer Ausgangsverzahnung umfasst. Die Wellen sind koaxial zueinander mit einer gemeinsamen Drehachse angeordnet, das heißt, dass deren Achsen zusammenfallen. Die Formschlusskupplung umfasst weiter ein axial entlang der Achsrichtung zwischen einer geschlossen-Stellung und einer offen-Stellung der Kupplung verschiebbares Verbindungselement, welches eine Mitnahmeverzahnung zum Zusammenwirken mit der Eingangsverzahnung der Eingangswelle und mit der Ausgangsverzahnung der Ausgangswelle aufweist, wobei das Verbindungselement in der geschlos- sen-Stellung der Kupplung mit der Eingangswelle und der Ausgangswelle zusammenwirkt und eine gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle vorliegt und wobei in einer offen-Stellung der Kupplung die gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle aufgehoben ist. Das Verbindungselement kann eine in einem Betätigungsweg zwischen der offen-Stellung und der geschlos- sen-Stellung befindliche Einspur-Position einnehmen, in der die Mitnahmeverzahnung beim Übergang von der offen-Stellung in die geschlossen-Stellung erstmals in Eingriff mit der Eingangsverzahnung oder der Ausgangsverzahnung gelangt. Im Weiteren beinhaltet die Formschlusskupplung eine Betätigungseinrichtung, die mit dem Verbindungselement in Wirkverbindung steht und die zur Verschiebung des Verbindungselementes von der geschlossen-Stellung zur offen-Stellung ausgebildet ist. Ferner ist ein elastisches Rückstellelement vorgesehen, welches das Verbindungselement in Richtung der geschlossen-Stellung mit einer Rückstellkraft belastet.
Die vorstehend ausgebildete Formschlusskupplung zeichnet sich dadurch aus, dass das Rückstellelement eine Kraft-Weg-Kennlinie mit einem lokalen Kraftmaximum aufweist, wobei dieses Kraftmaximum am Betätigungsweg zumindest näherungsweise mit der Einspur-Position des Verbindungselementes zusammenfällt.
Durch das Vorsehen eines derartig ausgebildeten Rückstellelements wirkt in der offen-Stellung der Kupplung eine gegenüber der Einspur-Position verringerte Federkraft, so dass der Erregerstrom des Elektromagneten reduziert werden und die Effizienz der Formschlusskupplung somit erhöht werden kann. Beim Übergang in die geschlossen-Stellung unter Passieren der Einspur-Position liegt eine gegenüber der offen-Stellung vergleichsweise große Axialkraft am Verbindungselement an, um ein zügiges Einspuren der beteiligten Verzahnungen zu befördern.
Insbesondere kann mit weiterem Vorteil zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe die Kraft des Rückstellelementes in der offen-Stellung gegenüber der an der Einspur- Position wirkenden Kraft verringert sein. Mit noch weiterem Vorteil kann die Kraft des Rückstellelementes in der geschlossen-Stellung gegenüber der an der Einspur- Position wirkenden Kraft verringert sein. Insbesondere kann zusätzlich die Kraft des Rückstellelementes in der geschlossen-Stellung gegenüber der in der offen-Stellung wirkenden Kraft verringert sein. In günstiger Weise kann die Kraft-Weg-Kennlinie des Rückstellelementes zwischen der geschlossen-Stellung und der offen-Stellung lediglich ein lokales Kraftmaximum aufweisen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Rückstellelement als Tellerfeder mit der zuvor beschriebenen Kraft-Weg-Kennlinie ausgebildet sein. Tellerfedern sind in zahlreichen Ausführungen erhältlich, vergleichsweise kostengünstig, bauraumsparend und können durch Berechnungsprogramme gezielt mit einer gewünschten Federkennlinie ausgelegt und hergestellt werden. Eine solche Tellerfeder kann unter Einbringung einer gewünschten Vorspannung so in die Formschlusskupplung eingebaut werden, dass bei einer Betätigung des Aktors ein definierter ausgewählter Bereich von deren Kennlinie durchfahren wird. Im Weiteren kann die Tellerfeder einen umfangsmäßig geschlossenen Randbereich und nach radial innen oder radial außen ausgerichtete Federzungen aufweisen. Optional kann die Tellerfeder zur weiteren Bauraumersparnis gekröpft ausgeführt sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Betätigungseinrichtung zur elektromagnetischen Betätigung mit einem Elektromagneten und einen relativ zu diesem verlagerbaren Anker auszubilden, welcher mit dem Verbindungselement wirkverbunden ist oder dieses ausbildet.
Bevorzugt kann die Formschlusskupplung als Trennkupplung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zur Übertragung eines Fahrzeugantriebsmomentes ausgebildet sein und dort Verwendung finden.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer elektromagnetisch betätigbaren Formschlusskupplung;
Fig. 2 eine Kraft-Weg-Kennlinie einer Tellerfeder;
Fig. 3 eine Tellerfeder mit nach radial innen weisenden Federzungen;
Fig. 4 eine Tellerfeder mit nach radial außen weisenden Federzungen. Fig. 1 zeigt eine in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges angeordnete Formschlusskupplung 10, die als Trennkupplung funktional zwischen zwei hier zeichnerisch nicht dargestellten Antriebsaggregaten, insbesondere zwischen einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine wirksam ist und über die im geschlossenen Zustand ein Antriebsmoment des Verbrennungsmotors in ein hier gleichfalls nicht dargestelltes Gangwechselgetriebe eingeleitet werden kann. Zum Starten des Verbrennungsmotors kann auch bei geschlossener Kupplung 10 ein Drehmoment von der elektrischen Maschine auf den Verbrennungsmotor übertragen werden. Die Formschlusskupplung 10 kann insbesondere bauraumsparend innerhalb der elektrischen Maschine angeordnet werden.
Die Formschlusskupplung 10 weist zunächst eine Eingangswelle 12 auf, an deren im Innenraum der Kupplung befindlichen Endbereich eine Zahnscheibe 14 mit einer äußeren Eingangsverzahnung 14a angeordnet ist. Koaxial zu der Eingangswelle 12 ist eine hier als Hohlwelle ausgeführte Ausgangswelle 16 gelagert, welche an dem der Eingangswelle 12 zugewandten Endbereich an einem die Eingangswelle 12 umschließenden axialen Vorsprung 16a eine Zahnscheibe 18 mit einer äußeren Ausgangsverzahnung 18a umfasst. Die Achsen A der Wellen fallen zusammen und bilden gleichzeitig auch eine Kupplungsachse A aus. Vorliegend sind die Wellen 12, 16 axial benachbart angeordnet. Alternativ oder ergänzend können die Wellen 12, 16 auch konzentrisch zueinander gelagert sein.
Die beiden Zahnscheiben 14, 18 sind jeweils mittels weiteren, an deren Innenumfang ausgebildeten Verzahnungen 14b, 18b jeweils drehfest und auch axial unverschiebbar auf den Wellen 12, 16 mittels dort ausgeführten Verzahnungen 12a, 16b festgelegt. Die Eingangsverzahnung 14a und die Ausgangsverzahnung 18a sind jeweils auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser der Zahnscheiben 14, 18 ausgeführt. Die Zahnscheiben sind axial durch einen Spalt 20 getrennt und können mit einem zu diesen radial außerhalb befindlichen und als Schaltmuffe ausgebildeten Verbindungselement 22 zusammenwirken. Dazu weist das Verbindungselement 22 eine innere Mitnahmeverzahnung 22a auf, welche korrespondierend zu der Eingangsverzahnung 14a der Eingangswelle 12 und zu der Ausgangsverzahnung 18a der Ausgangswelle 16 ausgebildet ist und mittels derer das Verbindungselement 22 axial entlang der Achsrichtung A zwischen einer geschlossen-Stellung und einer offen- Stellung der Kupplung 10 verschiebbar geführt ist.
In der geschlossen-Stellung der Kupplung, wie diese in Fig. 1 dargestellt ist befindet sich das Verbindungselement 22 über die Zahnscheiben 14, 18 somit mit der Eingangswelle 12 und mit der Ausgangswelle 16 im Eingriff, so dass dadurch eine gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle 12, 16 vorliegt. Zur Einnahme der offen-Stellung der Kupplung 10 kann das Verbindungselement 22 in der Fig. 1 nach links verlagert werden, wobei der Eingriff der Mitnahmeverzahnung 22a mit der Ausgangsverzahnung 18a aufgehoben wird und wodurch die gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle 12, 16 aufgehoben wird.
Das Verbindungselement 22 ist zur Ausführung dieser Verschiebebewegung mit einem Radialflansch 22b in einem zentralen Aufnahmebereich eines axial verlagerbaren topfförmigen Magnetankers 24 festgelegt, welcher Bestandteil einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 26, genauer eines monostabilen elektromagnetischen Aktors 26 ist. Der Magnetanker 24 ist zu diesem Zweck aus einem ferromag- netischen Werkstoff, zum Beispiel aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Der Magnetanker 24 kann durch das Magnetfeld eines axial benachbart zu diesem und gehäusefest angeordneten ringförmigen Elektromagnet 28 axial an diesen heranbewegt werden. Zur Ermöglichung einer Rückstellbewegung des Magnetankers 24 bei stromlosen Elektromagneten 28 ist zwischen dem Magnetanker 24 und einem an einem Gehäuseteil 30 gebildeten Abstützbereich 30a ein elastisches, als Tellerfeder vorliegendes Rückstellelement 32 mit einer im Weiteren noch zu erläuternden Federkennlinie (Fig. 2) eingesetzt. Das Rückstellelement 32 belastet somit das Verbindungselement 22 in Richtung der geschlossen-Stellung der Kupplung 10. Es ist somit ersichtlich, dass die Formschlusskupplung 10 vorliegend vom normal-geschlossen-Typ ausgeführt ist.
In den Fig. 3, 4 sind beispielhaft zwei Tellerfedern 32a, 32b zur Verwendung als Rückstellfeder in jeweils mehreren Ansichten dargestellt. Die Tellerfedern 32a, b weisen jeweils einen umfangsmäßig geschlossenen Randbereich 321 a, 321 b und von diesem abstehende Federzungen 322a, 322b auf, welche gemäß Fig. 3 nach radial innen oder nach Fig. 4 nach radial au ßen ausgerichtet sein können. Die Tellerfedern können weiterhin auch in axialer Richtung gekröpft ausgebildet sein.
Die als Rückstellelement 32 dienende Tellerfeder 32 ist vorliegend so ausgebildet, dass deren Kraft-Weg-Kennlinie ein lokales Kraftmaximum an der Position P1 aufweist, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die dort dargestellte Federkennlinie weist somit einen über einen Verformungsbereich bzw. über den Weg s nichtlinearen Verlauf der zugehörigen Federkraft F auf.
Die Federkennlinie ist in Übereinklang mit der Funktion der in Fig. 1 dargestellten Formschlusskupplung 10 so dargestellt, dass der Weg s auf der Abszisse mit der Bewegungsrichtung des Magnetankers 26, also mit dessen Hubweg beim Bestromen des Elektromagneten 28 zusammenfällt. Die Federkennlinie weist demnach einen ersten Ast bzw. Abschnitt I mit einer positiven Federrate auf, in der eine ansteigende Verformung bzw. Kompression der Tellerfeder 32 entlang des Weges s von einer gleichfalls bis zu dem Maximum in P1 nichtlinear ansteigenden Kraft F begleitet wird und einen sich daran anschließenden zweiten Ast bzw. Abschnitt II mit einer negativen Federrate, an dem eine weitere Verformung bzw. Kompression der Tellerfeder 32 von einer absinkenden Kraft F begleitet wird.
Die Tellerfeder 32 ist in der in Fig. 1 gezeigten geschlossen-Stellung der Formschlusskupplung 10 bereits mit einer leichten Vorspannung zwischen deren Abstützbereich 30a und dem Magnetanker 26 eingesetzt. Diesem Zustand entspricht in der Federkennlinie der Punkt PO mit dem Weg S0=0 und der Kraft F0, welche aufgrund der erwähnten Vorspannung einen Betrag größer Null aufweist. Die Tellerfeder 32 ist au ßerdem so verbaut, dass sich das in s1 eingenommene Kraftmaximum F1 im Punkt P1 etwa an einer Position befindet, in der die Mitnahmeverzahnung 22a des Mitnahmeelements 22 beim Übergang von der offen-Stellung in die geschlossen- Stellung erstmals in Eingriff mit der Ausgangsverzahnung 18a der Ausgangswelle 16 gelangt. Das Kraftmaximum P1 der Tellerfeder 23 fällt somit am Betätigungsweg zumindest näherungsweise mit der Einspur-Position des Verbindungselementes 22 zusammen. Bei einer Bestromung des Elektromagneten 28 kann sich der Magnetanker 26 mit dem Verbindungselement 22 von PO ausgehend nach links verlagern, wobei das Kraftmaximum F1 in P1 passiert wird und wobei schließlich die offen-Stellung der Kupplung mit der Endlage P2 erreicht wird. Da hier die zugeordnete Kraft F2 gegenüber F1 reduziert ist, kann die wirkende Magnetkraft durch ein Absenken einer elektrischen Erregung des Elektromagneten 28 entsprechend erniedrigt werden. Es ist ferner erkennbar, dass die Kraft F2 deutlich größer ist als die Vorspannkraft FO. In diesem Zustand P2 ist die Drehmitnahme zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle 12, 16 aufgehoben.
Soll diese Drehmitnahme wieder hergestellt werden, so wird der Elektromagnet 28 stromlos geschalten, wodurch sich der Magnetanker 26 mit dem Verbindungselement 22 von P2 ausgehend unter der Wirkung der Rückstellfeder 32 wieder nach rechts bewegen kann. Dabei entspannt sich die Rückstellfeder 32 unter gleichzeitigem Kraftanstieg bis zum Maximalwert F1 in P1 . Durch den vorher erläuterten definierten Einbau der Tellerfeder 32 kann das Mitnahmeelement 22 eine maximale Kraft gegenüber der Zahnscheibe 18 entwickeln, so dass ein zügiges Einspuren bei Erreichen einer Zahn-Lücke-Stellung ermöglicht wird bzw. ein gegenseitiges Abweisen der beteiligten Verzahnungen 22a, 18a vergleichsweise zügig überdrückt werden und die Formschlusskupplung 10 relativ schnell geschlossen werden kann.
Bezuqszeichen 0 Formschlusskupplung
2 Eingangswelle
4 Zahnscheibe
14a Eingangsverzahnung
14b Verzahnung
16 Ausgangswelle
16a Vorsprung
16b Verzahnung
18 Zahnscheibe
18a Ausgangsverzahnung
18b Verzahnung
20 Spalt
22 Verbindungselement
22a Mitnahmeverzahnung
22b Radialflansch
24 Magnetanker
26 Betätigungseinrichtung
28 Elektromagnet
30 Gehäuseteil
30a Abstützbereich
32 Rückstellelement, Tellerfeder
32a, b Tellerfeder
321 a Randbereich
321 b Randbereich
322a Federzunge
322b Federzunge
A Achse
F Kraft
s Weg

Claims

Patentansprüche xial betätigbare Formschlusskupplung (10), umfassend
- eine Eingangswelle (12) mit einer Eingangsverzahnung (14a) und
- eine Ausgangswelle (16) mit einer Ausgangsverzahnung (18a), wobei die Wellen (12, 16) koaxial zueinander mit einer gemeinsamen Achse (A) angeordnet sind,
- ein axial entlang der Achse (A) zwischen einer geschlossen-Stellung und einer offen-Stellung der Kupplung (10) verschiebbares Verbindungselement (22), welches eine Mitnahmeverzahnung (22a) zum Zusammenwirken mit der Eingangsverzahnung (14a) der Eingangswelle (12) und mit der Ausgangsverzahnung (18a) der Ausgangswelle (16) aufweist, und wobei
- das Verbindungselement (22) in der geschlossen-Stellung der Kupplung (10) mit der Eingangswelle (12) und der Ausgangswelle (16) zusammenwirkt und eine gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle (12, 16) vorliegt und wobei
- in einer offen-Stellung der Kupplung (10) die gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle (12, 16) aufgehoben ist und wobei
- das Verbindungselement (22) eine in einem Betätigungsweg (s) zwischen der offen-Stellung und der geschlossen-Stellung befindliche Einspur-Position einnehmen kann, in der die Mitnahmeverzahnung (22a) beim Übergang von der offen-Stellung in die geschlossen-Stellung erstmals in Eingriff mit der Eingangsverzahnung (14a) oder der Ausgangsverzahnung (18a) gelangt und weiter umfassend
- eine Betätigungseinrichtung (26), die mit dem Verbindungselement (22) in Wirkverbindung steht und die zur Verschiebung des Verbindungselementes (22) von der geschlossen-Stellung zur offen-Stellung ausgebildet ist, und
- ein elastisches Rückstellelement (32), welches das Verbindungselement (22) in Richtung der geschlossen-Stellung mit einer Rückstellkraft belastet, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (32) eine Kraft-Weg-Kennlinie mit einem lokalen Kraftmaximum (F1 ) aufweist und wobei dieses Kraftmaximum (F1 ) am Betätigungsweg (s) zumindest näherungsweise mit der Einspur- Position des Verbindungselementes (22) zusammenfällt.
2. Formschlusskupplung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft (F2) des Rückstellelementes (32) in der offen-Stellung gegenüber der an der Einspur-Position (P1 ) wirkenden Kraft (F1 ) verringert ist.
3. Formschlusskupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft (F0) des Rückstellelementes (32) in der geschlossen-Stellung (PO) gegenüber der an der Einspur-Position (P1 ) wirkenden Kraft (F1 ) verringert ist.
4. Formschlusskupplung nach einem der Ansprüche 1 -3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft (FO) des Rückstellelementes (32) in der geschlossen-Stellung (PO) gegenüber der in der offen-Stellung (P2) wirkenden Kraft (F2) verringert ist.
5. Formschlusskupplung nach einem der Ansprüche 1 -4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft-Weg-Kennlinie des Rückstellelementes zwischen der geschlossen- Stellung und der offen-Stellung lediglich ein lokales Kraftmaximum aufweist.
6. Formschlusskupplung nach einem der Ansprüche 1 -5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückstellelement (32) als Tellerfeder (32a, 32b) ausgebildet ist.
7. Formschlusskupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder (32a, 32b) einen umfangsmäßig geschlossenen Randbereich (321 a, 321 b) und nach radial innen oder radial außen ausgerichtete Federzungen (322a, 322b) aufweist.
8. Formschlusskupplung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder gekröpft ausgeführt ist.
9. Formschlusskupplung nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (26) zur elektromagnetischen Betätigung ausgebildet ist und einen Elektromagneten (28) und einen relativ zu diesem verlagerbaren Magnetanker (24) aufweist, der mit dem Verbindungselement (22) wirkverbunden ist oder dieses ausbildet.
10. Formschlusskupplung nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusskupplung (10) als Trennkupplung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zur Übertragung eines Fahrzeugantriebsmomentes ausgebildet ist.
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