DE102014217066A1

DE102014217066A1 - Kupplung

Info

Publication number: DE102014217066A1
Application number: DE201410217066
Authority: DE
Inventors: Franz Gratzer
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2013-09-02
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2015-03-05

Abstract

Beschrieben wird eine Kupplung zur formschlüssigen Verbindung einer ersten und einer zweiten Welle, insbesondere für ein Kraftfahrzeug und vorzugsweise für eine zuschaltbare Antriebsachse eines Kraftfahrzeuges, mit einem in Richtung einer der Wellen (W1, W2) veschiebbarem Kupplungsteil (KT), welches ein formschlüssiges Kuppeln und Trennen der Wellen (W1, W2) ermöglicht, einer die Verschiebung des Kupplungsteils (KT) durch eine Verschwenkbewegung bewirkenden, mit dem Kupplungsteil (KT) gekoppelten Schaltgabel (SG), einem mit einer Welle (W1) umlaufendem Gewinde (GW), in welches ein Ende der Schaltgabel (SG) einrückbar ist, wobei die Lagerung der Schaltgabel (SG) gegenüber einem die Kupplung umgebenden Gehäuse (GH) nach Art eines Drehschubgelenkes (DSG) ausgebildet ist und das Gelenk eine Schwenkbewegung sowie eine Verschiebebewegung des Schaltgabel (SG) zulässt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung nach der Art von Anspruch 1.
Bei Kraftfahrzeugen mit zuschaltbarem Vierradantrieb wird vom Antriebsmotor her – z. b. ein Verbrennungsmotor – eine Achse permanent angetrieben. Entsprechend ist der Motor über ein Getriebe mit der Antriebsachse verbunden. Das Zuschalten der Räder der zweiten Achse erfolgt über eine Disconnect-Einheit, über eine schaltbare Kupplung, vermittels der und eine Welle die Räder der zweiten Achse angetrieben werden.
Die Kupplung einer Disconnect-Einheit ist als formschlüssige Kupplung ausgebildet, durch die die weitere Antriebsachse zu- bzw. abgeschaltet wird. Zusätzlich kann auch eine Synchronisierung vorgesehen sein, so dass die formschlüssige Kopplung erst erfolgt, wenn die zu kuppelnden Teile die gleiche, annähernd gleiche Drehzahl aufweisen.
Die formschlüssige Kupplung besteht aus einer drehfest mit einer ersten Welle verbundenen und axial gegenüber dieser verschiebbaren Kupplungsmuffe, einer Schalt- bzw. Schiebemuffe, welche mit einer Struktur einer zweiten Welle formschlüssig zusammenwirkt. Zum Kuppeln der beiden Wellen wird die Schiebemuffe axial in Richtung der zweiten Welle vorgerückt, so dass die Kupplungsstruktur der Schiebemuffe mit der korrespondierend dazu ausgebildeten Kupplungsstruktur der zweiten Welle zusammenwirkt, ineinander greift.
Zur Betätigung der Schiebemuffe ist es bekannt, einen Gewindegang zu nutzen, der mit der Welle umläuft und in den eine mit der Schiebemuffe gekoppelte Sektormutter eingreift. Die Sektormutter ist in Form eines Hebels gehäusefest gelagert und mit der Schiebemuffe derartig gekoppelt dass beim Eingriff in den mit der Welle rotierenden Gewindegang die Schiebemuffe in Richtung Kuppeln verschoben wird.
Die GB 1 145 950 A zeigt eine formschlüssige Kupplung mit einer Schiebemuffe, einer die Schiebemuffe bewegenden Schaltgabel, einem mit einer Welle umlaufendem Gewindegang, einer in den Gewindegang einrückbaren Klinke. Die Klinke und die schwenkbar im Gehäuse gelagerte Schaltgabel sind miteinander gekoppelt.
Die DE 10 2011 015 190 A1 beschreibt eine elektrisch schaltbare Kupplung mit einem Schaltelement, welches durch eine Verdrehung gegenüber der Antriebswelle eine Bewegung in Achsrichtung ausführt. Das Schaltelement ist auf einem Gewinde gelagert, die Verdrehung erfolgt mittels eines Elektromotor.
Aus der DE 10 2011 010 616 A1 ist eine formschlüssige Kupplung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges bekannt. Eine schwenkbar gelagerte Schaltgabel wirkt an einem schwenkbaren Ende über ein Kugellager auf das axial verschiebbare Kupplungsteil. Das andere schwenkbare Ende der Schaltgabel ist mit einer motorisch angetriebenen Spindel gekoppelt. Die Schaltgabel ist über einen Lagerstift als Drehgelenk gelagert. Das Kugellager gleicht die Relativbewegungen zwischen Schaltgabel und Kupplungsteil aus.
Es liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kupplung in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Form bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch ein mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung betrifft somit eine Kupplung zur formschlüssigen Verbindung einer ersten und einer zweiten Welle, insbesondere für ein Kraftfahrzeug und vorzugsweise zum Zuschalten einer Antriebsachse eines Kraftfahrzeuges, mit einem in Richtung einer der Wellen veschiebbarem Kupplungsteil, welches ein formschlüssiges Kuppeln und Trennen der Wellen ermöglicht, einer die Verschiebung des Kupplungsteils durch eine Verschwenkbewegung bewirkenden, mit dem Kupplungsteil gekoppelten Schaltgabel, einem mit einer Welle umlaufendem Gewinde, in welches ein Ende der Schaltgabel einrückbar ist, wobei die Lagerung der Schaltgabel gegenüber einem die Kupplung umgebenden Gehäuse nach Art eines Drehschubgelenkes ausgebildet ist und das Gelenk eine Schwenkbewegung sowie eine Verschiebebewegung des Schaltgabel zulässt.
Gemäß der Erfindung ist bevorzugt eine Kupplung vorgesehen, mit einer ersten drehenden Welle, einer mit der ersten Welle fluchtenden zweiten Welle, einem in Achsrichtung veschiebbarem Kupplungsteil, welches durch eine Verschiebung in Achsrichtung ein formschlüssiges Kuppeln der beiden Wellen ergibt und eine Trennen der Wellen ermöglicht, einer die Verschiebung der Schiebemuffe bewirkenden Schaltgabel, einem mit einer drehenden Welle umlaufendes Gewinde, bestehend aus einem oder mehreren Gängen, in welches ein Ende der Schaltgabel einrückbar ist, wobei die Lagerung der Schaltgabel gegenüber einem die Kupplung umgebenden Gehäuse nach Art eines Drehschubgelenkes ausgebildet ist, welches eine Schwenkbewegung sowie eine Verschiebebewegung des Schaltgabel zulässt.
Nach der Erfindung ist somit vorgesehen, dass die Schaltgabel über den zugeordneten Aktuator mit einem dem Gewinde zugeordneten Ende, der Sektormutter, in Eingriff gebracht werden kann. Dies ist durch den Freiheitsgrad, die entsprechende Geradführung, die Beweglichkeit der Schaltgabel senkrecht zu ihrer Schwenkachse gewährleistet. Ist die Sektormutter in Eingriff mit dem Gewinde gebracht, so bewirkt die Drehung der Welle und damit des Gewindes ein Verschwenken der Schaltgabel. Dies erlaubt der Freiheitsgrad der Schwenkbeweglichkeit der Schaltgabel.
Die Schaltgabel ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit einer Feder derartig vorgespannt, dass die Schaltgabel in einer Ausgangsstellung gehalten wird, in der die Sektormutter nicht in Eingriff mit dem Gewinde der Welle ist. Dies ist bevorzugt auch der Zustand, bei der das verschiebbare Kupplungsteil, die Kuppungsmuffe die beiden Wellen formschlüssig koppelt.
Wird der vorzugsweise als elektromagnetischer Hubmagnet ausgebildete Aktuator ausgelöst, so bewirkt dieser ein Einrücken der Sektormutter, des dem Gewinde der umlaufenden Welle zugeordneten Endes der Schaltgabel, so dass die nun vom Gewinde getriebene Sektormutter die Schaltgabel verschwenkt und dadurch die Kupplungsmuffe aus einer die beiden Wellen formschlüssig kuppelnden Position in eine ausgekuppelte Position verschiebt, die Kupplung somit öffnet.
Bevorzugt ist eine geometrische Gestaltung vorgesehen, so dass die Schaltgabel bei geschaltetem Aktuator derartig weit verschwenkt werden kann, bis die Kupplungsmuffe von der kuppelnden in die ausgekuppelte Position verschoben ist und mit Erreichen dieser Position der weiterhin geschaltete Aktuator nicht mehr auf die Schaltgabel einwirkt, also das Einrücken der Sektormutter in den Gewindegang aufgehoben wird. Dieses Ausrücken der Sektormutter wird durch die der Schaltgabel zugeordnete Feder bewirkt, welche die Schaltgabel sowohl in der Verschwenkbarkeit als auch der geradlinigen Beweglichkeit in eine Ausgangsposition – Kupplungsmuffe eingerückt und Sektormutter ausgerückt – hält. Bevorzugt ist die Feder als eine gehäusefest abgestützte Druckfeder ausgebildet, welche im Bereich der gelenkigen Verbindung von Schaltgabel mit der Kupplungsmuffe auf die Schaltgabel einwirkt.
Durch die Feder wird die Schaltgabel mit Erreichen der ausgekuppelten Position in Richtung der geradlinigen Beweglichkeit derartig verschoben, dass die Sektormutter den Eingriff mit dem Gewindegang der Welle verliert. Der weiterhin geschaltete Aktuator bewirkt nun ein Arretieren der Position der Schaltgabel, diese kann nun nicht in ihre Ausgangsposition zurückschwenken. Die mit der Schaltgabel gekoppelte Kupplungsmuffe verbleibt somit – durch den geschalteten Aktuator gesperrt – in der ausgekuppelten Position.
Wird die Schaltung des Aktuators aufgehoben, so kann die Kupplungsmuffe – bewirkt durch die Feder – wieder in ihre Ausgangsposition zurückschwenken. Die mit der Schaltgabel gekoppelte Kupplungsmuffe wird dabei wieder in die kuppelnde Position zurückverschoben.
Das als Kupplungsmuffe ausgebildete Kupplungsteil ist über ein Vielzahn- bzw. Vielnutprofil drehfest mit der ersten Welle gekoppelt und so gegenüber diese ersten Welle axial verschiebbar. Die zweite Welle weist ebenfalls eine derartige Profilierung auf, so dass das Kupplungsteil von der ersten auf die zweite Welle geschoben werden kann.
Im gekuppelten Zustand sitzt das Kupplungsteil auf beiden Wellen und ist so in Kontakt mit beiden Profilen. Zum Auskuppeln wird das Kupplungsteil auf die zweite Welle geschoben, bis kein Kontakt mit der Profilierung der ersten Welle besteht.
Die drehfeste Kupplung des Kupplungsteiles mit der ersten und der zweiten Welle kann grundsätzlich auch anders ausgeführt sein, bspw. durch ein Vielnutprofil zur drehfesten, axial beweglichen Kopplung mit einer Welle und einem stirnseitigen, nach Art einer Klauenkupplung ausgeführten Formstruktur gegenüber der anderen Welle.
Des Weiteren erfolgt die Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung an Hand der Zeichnungen.
1 zeigt eine Ansicht der erfindungsgemäßen Kupplung. Eine erste Welle W1 ist bspw. mit dem Antrieb des nicht dargestellten Fahrzeuges verbunden. Eine zweite Welle W2 treibt eine zweite Antriebsachse des Fahrzeuges, ist somit durch die Kupplung zuschaltbar. Die Wellen W1 und W2 fluchten miteinander, ihre Achsen fallen zusammen, die stirnseitigen Enden der Wellen W1, W2 liegen einander gegenüber. Die Welle W1 weist ein Gewinde GW auf, welches in Form von ein oder mehreren Gängen um den Umfang der Welle W1 läuft.
Das Ende der Welle W1 weist ein Vielzahn- bzw. Vielnutprofil P1 auf, auf dem ein als Kupplungsmuffe ausgebildetes Kupplungsteil KT verschiebbar gelagert ist. Das Vielnutprofil P erlaubt eine axiale Verschiebung des Kupplungsteils KT – gleichzeitig ist so das Kupplungsteil drehfest mit der ersten Welle W1 gekoppelt. Die verschiebbare Lagerung des Kupplungsteils KT ist mit dem Pfeil gekennzeichnet.
Der zweite Welle W2 weist ein Profil P2 in Form einer Fortsetzung des Vielnutprofils P1 der Welle W1 auf. Im gekuppelten Zustand sitzt das Kupplungsteil KT auf der Welle W1 und der Welle W2, ist also in Kontakt mit beiden Profilen P1, P2 und bewirkt so eine formschlüssige Kupplung der beiden Wellen. Wird das Kupplungsteil KT ganz auf die Welle W2 geschoben, so ist die Kupplung gelöst – die Wellen W1 und W2 sind getrennt.
Das als Kupplungsmuffe ausgebildete Kupplungsteil KT ist an seinem Auenumfang rotationssymmetrisch ausgeführt und weist eine umlaufende Nut N auf. In die Nut N greift ein Finger F ein, der an beiden Innenseiten einer Schaltgabel SG angeordnet ist. Die Schaltgabel SG ist über ihre beiden unteren Arme über je eine einen gehäusefesten Lagerbolzen LB umfassende Gabel in Form eines Drehschubgelenkes DSG schwenkbar gelagert. Die Schaltgabel SG ist so um den Lagerbolzen LB bzw. die im Kupplungsgehäuse sich gegenüberliegenden Lagerbolzen LB schwenkbar und gleichzeitig in Richtung der den Lagerbolzen LB umfassenden Gabel verschiebbar gelagert (3). Die Beweglichkeit der Schaltgabel SG ist in 2 durch die Pfeile gekennzeichnet. Über die beiden Finger F ist die Schaltgabel SG mit dem rotierenden Kupplungsteil KT gekoppelt und vermag so die Verschwenkbewegung in eine Verschiebung des Kupplungsteils KT umzusetzen.
Die Schaltgabel eist an ihrem oberen dem Drehschubgelenk DSG gegenüberliegenden Ende eine Sektormutter SM auf, welche als eine in das Gewnde GW, den Gewindegang einrückbare Struktur ausgebildet ist. Durch eine in der 2 nicht dargestelltes Federelement ist die Schaltgabel SG in eine obere und zurückgeschwenkte Endlage gebracht, in der das Kupplungsteil KT sich in der kuppelnden Position befindet, beide Wellen W1 und W2 formschlüssig miteinander gekoppelt sind.
Dem oberen schwenkbaren Ende der Schaltgabel SG ist ein Aktuator A in Form eines Hubmagneten zugeordnet, über den ein Stift ST ein- und ausgefahren werden kann. In der 2 ist der Stift ST des Aktuators A eingefahren – der Aktuator nicht angesteuert. Der Aktuator, der das Betätigungsorgan darstellende Stift ST des Aktuators A ist der Sektormutter SM der Schaltgabel SG zugeordnet, derart, dass der Stift ST bei Ansteuerung des Aktuators die Schaltgabel SG nach unten drückt – entgegen der Feder – und so die Sektormutter SM in Eingriff mit dem mit der Welle W1 umlaufenden Gewinde GW bringt. Das Gewinde GW ist im Drehsinn so gestaltet, dass die in Drehrichtung umlaufende Welle W1 nun die Schaltgabel SG über die Sektormutter SM verschwenkt – entgegen der Federkraft. Das Kupplungsteil KT wird in Richtung Auskuppeln bewegt.
Die 3 ist eine Darstellung der Kupplung die Welle W1 schneidend, in einer Ebene senkrecht zu der Ansicht nach 2. Dargestellt ist das die Kupplung umgebende Gehäuse GH, der im Gehäuse angeordnete Aktuator A, die die Schwenkachse des Drehschubgelenkes DSG bildenden Lagerbolzen LB sowie die die Schaltgabel SG mit dem Kupplungsteil KT koppelnden Finger F. Das Gehäuse GH ist in seinem oberen, das schwenkbare Ende der Schaltgabel SG umgebenden Teil derartig gestaltet, dass die Schaltgabel SG dadurch zusätzlich geführt wird, um Verkippungen der Schaltgabel SG um die Kupplungsachse (Welle W1, W2) zu verhindern. Die zuvor beschriebene Beweglichkeit der Schaltgabel SG in Verschwenkrichtung und senkrecht dazu ist durch die Gehäuseführung nicht beeinträchtigt. Durch die Reibung der Finger F in der Nut N des rotierenden Kupplungsteils KT wirkt auf die Schaltgabel SG ein Drehmoment, welches durch die Führung des Gehäuses aufgenommen wird.
Die 4–8 zeigen die einzelnen Phasen der Funktion der erfindungsgemäßen Kupplung. Dargestellt ist der Aktuator A mit dem Stift ST als Betätigungsorgan, die im Drehschubgelenk DSG verschwenkbar und verschiebbar gelagerte Schaltgabel SG mit der Sektormutter SM sowie das als Druckfeder DF ausgebildete Federelement, welches die Schaltgabel SG in ihre Ausgangslage verschwenkt. Die Druckfeder DF ist gehäuseseitig abgestützt. In den 4–8 sind jeweils die gleichen Bauteile n unterschiedlichen Stellungen dargestellt. Entsprechend sind die Bezugszeichen der Teile nur in der 4 wiedergegeben. Mit den Pfeilen sind Kraftrichtungen bzw. Bewegungsrichtungen angedeutet.
Die Wellen W1, W2, das Gewinde GW, das Kupplungsteil KT sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Ausgangsposition der Schaltgabel SG ist in 4 dargestellt und entspricht der nach 1 und 2 – Aktuator A nicht geschaltet, Stift ST nicht ausgefahren, Sektormutter SM nicht in Eingriff mit dem Gewinde SG – Kupplungsteil KT in der die Wellen W1, W2 kuppelnder Stellung.
Wird der Aktuator A geschaltet, der Stift ST ausgefahren, so wird die Schaltgabel SG durch dieses Betätigungsorgan nach unten gedrückt – entgegen der Druckfeder DF. Die Sektormutter SM kommt in Eingriff mit dem Gewinde GW (1, 2). Diese Position der Schaltgabel ist in 5 dargestellt.
Durch den Eingriff der Sektormutter SM in das umlaufende Gewinde GW wird die Schaltgabel SG verschwenkt – das nicht dargestellte Kupplungsteil KT, die Kupplungsmuffe wird in Richtung auskuppeln verschoben (6). Der Aktuator A ist weiterhin geschaltet – Stift ST ausgefahren.
Erreicht das Kupplungsteil die vollständig ausgekuppelte Position (in den 1, 2 ganz links), so verliert die Schaltgabel SG, die dem Aktuator zugewandte Rückseite der Sektormutter SM den Kontakt mit dem Betätigungsorgan, dem ausgefahrenen Stift ST. Die Schaltgabel kann durch die Druckfeder DF in eine angehobene Position verschoben werden, was ein Ausrücken der Sektormutter SM aus dem Gewinde SG bewirkt (7). Der Auskuppelvorgang ist nun beendet. Der weiterhin geschaltete Aktuator A, der ausgefahrene Stift ST als Betätigungsorgan verhindert ein Rückschwenken der Schaltgabel SG. Der ausgekuppelte Zustand ist so arretiert.
Wird die Schaltung des Aktuators A aufgehoben, die Stift ST als Betätigungsorgan eingefahren, so kann die Schaltgabel SG in ihre Ausgangslage zurückschwenken, was ein Verschieben der Kupplungsmuffe in Richtung Kuppeln ergibt. Dies ist in 8 dargestellt – diese Stellung der Schaltgabel SG entspricht der Ausgangslage nach 4.
Bezugszeichenliste

W1

erste Welle

W2

zweite Welle

KT

Kupplungsteil, Kupplungsmuffe, Schiebemuffe

P1

Profil Welle W1

P2

Profil Welle W2

GW

Gewinde

N

Nut

SG

Schaltgabel

SM

Sektormutter

F

Finger

LB

Lagerbolzen

DSG

Drehschubgelenk

A

Aktuator

ST

Stift, Betätigungsorgan

DF

Federelement, Druckfeder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

GB 1145950 A [0006]
DE 102011015190 A1 [0007]
DE 102011010616 A1 [0008]

Claims

Kupplung zur formschlüssigen Verbindung einer ersten und einer zweiten Welle, insbesondere für ein Kraftfahrzeug und vorzugsweise für eine zuschaltbare Antriebsachse eines Kraftfahrzeuges, mit einem in Richtung einer der Wellen (W1, W2) veschiebbarem Kupplungsteil (KT), welches ein formschlüssiges Kuppeln und Trennen der Wellen (W1, W2) ermöglicht, einer die Verschiebung des Kupplungsteils (KT) durch eine Verschwenkbewegung bewirkenden, mit dem Kupplungsteil (KT) gekoppelten Schaltgabel (SG), einem mit einer Welle (W1) umlaufendem Gewinde (GW), in welches ein Ende der Schaltgabel (SG) einrückbar ist, wobei die Lagerung der Schaltgabel (SG) gegenüber einem die Kupplung umgebenden Gehäuse (GH) nach Art eines Drehschubgelenkes (DSG) ausgebildet ist und das Gelenk eine Schwenkbewegung sowie eine Verschiebebewegung des Schaltgabel (SG) zulässt.
Kupplung nach Anspruch 1, erste und zweite Welle (W1, W2) liegen in einer Achse.
Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, das Kupplungsteil (KT) ist nach Art einer Kupplungsmuffe, einer Schiebemuffe ausgebildet.
Kupplung wenigstens nach Anspruch 1, das Kupplungsteil (KT) ist mittels einem in Achsrichtung verlaufendem Profil (P1) drehfest und axial verschiebbar mit der ersten Welle (W1) gekoppelt.
Kupplung wenigstens nach Anspruch 1, vorzugsweise nach Anspruch 3 oder 4, das Kupplungsteil (KT) ist über ein in Achsrichtung verlaufendes Profil (P2) drehfest mit der zweiten Welle (W2) koppelbar.
Kupplung wenigstens nach Anspruch 1, vorzugsweise nach Anspruch 3 oder 4, das Kupplungsteil (KT) ist über eine stirnseitige Struktur, nach Art einer Klauenkupplung mit der zweiten Welle (W2) koppelbar.
Kupplung wenigstens nach Anspruch 1, die Schaltgabel (SG) weist an ihrem schwenkbaren Ende eine mit dem Gewinde zusammenwirkende Sektormutter (SM) auf.
Kupplung wenigstens nach Anspruch 1, die Schaltgabel (SG) wird über ein Federelement (DF) in einer das Kuppeln der beiden Wellen (W1, W2) bewirkenden Ausgangsstellung gehalten.
Kupplung wenigstens nach Anspruch 1, die Schaltgabel (SG) ist über ihre beiden Arme und über je eine einen gehäusefesten Lagerbolzen (LB) umfassende Gabel in Form eines Drehschubgelenkes (DSG) schwenkbar gelagert.
Kupplung wenigstens nach Anspruch 1, der Schaltgabel (SG) ist ein Aktuator (A) zugeordnet, durch welchen die Schaltgabel (SG) zum Einrücken in das Gewinde (GW) verschiebbar ist.
Kupplung wenigstens nach Anspruch 10, durch das Betätigungsorgan des geschalteten Aktuators (A) ist die Schaltgabel (SG) zum Einrücken in das Gewinde (GW) verschiebbar und in einer verschwenkten Position haltbar.
Kupplung wenigstens nach Anspruch 1, die Schaltgabel (SG) ist über einen in eine umlaufene Nut (N) des Kupplungsteils (KT) greifenden Finger (F) mit dem Kupplungsteil gekoppelt.
Kupplung wenigstens nach Anspruch 1, die Schaltgabel (SG) ist durch das Gehäuse (GH) in einer Weise geführt, dass die Schaltgabel (SG) gegen eine Verdrehung in Achsrichtung der Wellen (W1, W2) abgestützt ist.