DE19920543A1

DE19920543A1 - Elektromagnetisch betätigte Einflächenkupplung oder Einflächenbremse

Info

Publication number: DE19920543A1
Application number: DE1999120543
Authority: DE
Inventors: Frank Miehle; Rudolf Schneider
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1999-05-05
Filing date: 1999-05-05
Publication date: 2000-12-07

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer elektromagnetisch betätigten Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1), die eine Magnetspule (4) mit einem Magnetkörper (3), einen Dauermagneten (7) und auf einer Primärseite (9) eine erste Reibfläche (12) aufweist, die drehfest mit einem ersten zu kuppelnden Bauteil verbunden ist, während auf einer Sekundärseite (10) eine Ankerscheibe (11) mit einer zweiten Reibfläche (13) angeordnet ist, die in einer geschlossenen Position der Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1) unter dem Einfluß eines Magnetfeldes des Dauermagneten (7) bei stromloser Magnetspule (4) mit der ersten Reibfläche (12) zusammenwirkt, wobei eine Ringfeder (15) die Ankerscheibe (11) mit einem Anschlußteil (8) eines zweiten zu kuppelnden Bauteils verbindet und im geöffneten Zustand der Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1) zwischen den Reibflächen (12, 13) ein Lüftungsspalt (21) ist. Es wird vorgeschlagen, daß ein Stromimpuls der Magnetspule (4) das Magnetfeld des Dauermagneten (7) soweit schwächt, daß die Ringfeder (15) die Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1) öffnet, daß der Lüftungsspalt (21) so weit ist, daß die Ringfeder (15) die Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1) bei stromloser Magnetspule (4) geöffnet hält, bis ein Stromimpuls der Magnetspule (4) mit entgegengesetzter Stromrichtung das Magnetfeld des Dauermagneten (7) soweit verstärkt, daß die Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1) schließt, und daß der Dauermagnet (7) bei ...

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betätig te Einflächenkupplung oder Einflächenbremse nach dem Ober begriff von Anspruch 1.

Kupplungen unterscheiden sich von Bremsen im allgemei nen dadurch, daß sie zwei rotierende Bauteile miteinander verbinden, während Bremsen zum Verringern der Bewegung ei nes Bauteils dieses an ein feststehendes Bauteil kraft schlüssig ankoppeln. Die Erfindung betrifft gleichermaßen Kupplungen und Bremsen. Zur Vereinfachung ist in der fol genden Beschreibung jedoch im wesentlichen auf Kupplungen Bezug genommen.

Gattungsgemäße Einflächenkupplungen und Einflächen bremsen sind seit vielen Jahren auf dem Markt. Sie sind z. B. in dem Katalog KB 1 "Einflächenkupplungen und bremsen, Kupplungs-Bremseinheiten", September 1997, der ZF Friedrichshafen AG, Friedrichshafen, beschrieben. Sie wer den wegen ihres einfachen Aufbaus und ihrer günstigen Ab messungen in steigendem Maße zum Automatisieren mechani scher Arbeitsabläufe im Maschinen- und Apparatebau verwen det, z. B. bei Kraftfahrzeugen, Textilmaschinen, Verpac kungsmaschinen, Druckmaschinen und Papiermaschinen, Werk zeugmaschinen und Schweißmaschinen, Mikroskopiestativen, wie sie in der Neurochirurgie eingesetzt werden, Büroma schinen, usw. Sie dienen dazu, Drehzahl- oder Geschwindig keitsstufen zu schalten, Bewegungsabläufe mit Positionie rung zu steuern oder Maschinen bei Störungen stillzusetzen.

Eine erste Art einer Einflächenkupplung besitzt je weils eine Reibfläche auf der Primärseite und der Sekundär seite, wobei eine Reibfläche an einer Ankerscheibe angeord net ist, die durch Magnetkraft entgegen der Kraft einer als Ringfeder ausgebildeten Rückstellfeder gegen die andere Reibfläche gezogen wird. Ein Elektromagnet erzeugt die Ma gnetkraft, dessen Magnetfeld die Ankerscheibe einmal oder mehrfach durchflutet. Eine mehrfache Durchflutung vergrö ßert die übertragbaren Drehmomente. Da während der Ein schaltdauer der Einflächenkupplung ein Strom durch den Elektromagneten fließt (Arbeitsstromprinzip), ist der Stromverbrauch je nach Einschaltdauer bedeutend.

Um die rotierenden Massen klein zu halten und die elektrische Versorgung zu vereinfachen, sind die Magnetspu le und der sie umschließende Magnetkörper an einem Gehäuse teil fest installiert. Der Magnetfluß wird über eine Ma gnetfluß-Leitscheibe geleitet, die getrennt von dem gehäu sefesten Magnetkörper mit einem geringen Spiel zu diesem rotiert, eine Reibfläche besitzt und mit dem ersten rotie renden Bauteil verbunden ist, während die Ankerscheibe in der Regel über eine Ringfeder mit dem zweiten zu kuppelnden Bauteil verbunden ist. Bei einer Einflächenbremse entfällt die Magnetfluß-Leitscheibe. Die Reibfläche ist in der Regel unmittelbar am gehäusefesten Magnetkörper angeordnet. Bei stromdurchflossener Spule baut sich ein Magnetfeld auf, wodurch auf die Ankerscheibe eine Zugkraft wirkt, die die Reibflächen aufeinander preßt. Die Ringfeder ermöglicht mit ihrer axialen Durchfederung den Hub der Ankerscheibe. Sie wird beim Schließen vorgespannt und bewirkt beim Öffnen eine schnelle und völlige Trennung der Reibflächen, so daß kein Restdrehmoment bestehen bleibt.

Bei einer Variante, die aus der DE 26 38 944 bekannt ist, wird die Zugkraft durch einen oder mehrere Dauermagne te erzeugt. Wenn ein Strom durch die Magnetspule fließt, schwächt das Magnetfeld der Magnetspule das Magnetfeld der Dauermagnete so, daß die vorgespannte Ringfeder die Einflä chenkupplung bzw. Einflächenbremse öffnen kann. Zwar ist im geschlossenen Zustand der Einflächenkupplung die Magnetspu le stromlos (Ruhestromprinzip), jedoch ist im geöffneten Zustand bei erregter Magnetspule der Stromverbrauch erheb lich.

Die erste Art, die nach dem Arbeitsstromprinzip arbei tet, hat Vorteile bezüglich des Stromverbrauchs, wenn die Einschaltdauer gegenüber der Abschaltdauer der Kupplung relativ klein ist. Demgegenüber ist die Variante vorteil haft, wenn die Einschaltdauer gegenüber der Abschaltdauer stark überwiegt. Wird die Einflächenkupplung in Kraftfahr zeugen eingesetzt, um Hilfsaggregate, wie z. B. Wasserpum pen, Generatoren, Lüfter, Lenkhilfpumpen, Klimakompressoren usw., zu- oder abzuschalten, stehen die Einschaltdauer und die Abschaltdauer häufig in einem ausgewogenen Verhältnis, zumindest läßt sich aber schwer vorherbestimmen, welcher Anteil überwiegen wird, da die Anteile in Abhängigkeit der Betriebsparameter stark schwanken können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer elektromagnetisch betätigten Einflächenkupplung oder Ein flächenbremse den Stromverbrauch unabhängig von ihrer Ein schaltdauer oder Abschaltdauer gering zu halten. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 ge löst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteran sprüchen.

Nach der Erfindung schwächt ein Stromimpuls der Mag netspule das Magnetfeld des Dauermagneten soweit, daß die Ringfeder die Einflächenkupplung bzw. Einflächenbremse öff net. Dabei entsteht ein Lüftungsspalt, der so weit ist, daß die Ringfeder die Einflächenkupplung oder Einflächenbremse bei stromloser Magnetspule entgegen der Kraft des Dauermag neten geöffnet hält, bis ein Stromimpuls der Magnetspule mit entgegengesetzter Stromrichtung das Magnetfeld des Dau ermagneten soweit verstärkt, daß die Einflächenkupplung oder Einflächenbremse schließt, wobei die Ringfeder vorge spannt wird. Bei geschlossener Einflächenkupplung sind die Kräfte des Dauermagneten so stark, daß sie bei stromloser Magnetspule die Einflächenkupplung geschlossen halten und zur Übertragung des Drehmoments ausreichen.

Versuche haben gezeigt, daß Kupplungen mit einem über tragbaren Drehmoment von 5 Nm mit Stromimpulsen geschaltet werden können, die kürzer als 0,1 Sekunden sind, so daß der Stromverbrauch über die Betriebszeit extrem niedrig ist. Die Stromimpulse können durch eine elektronische Steuerein heit gesteuert werden, z. B. durch eine elektronische Mo torsteuerung eines Fahrzeugs. Die Steuerung enthält zweck mäßigerweise eine Schaltvorrichtung, die die Polungen der Anschlüsse für die Stromversorgung der Magnetspule nach jedem Betätigungsimpuls wechselt.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeich nungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbei spiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusam menfassen.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsge mäße Einflächenkupplung entsprechend der Li nie I-I in Fig. 2,

Fig. 2 eine Seitenansicht in Richtung des Pfeils II in Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt entsprechend der Linie III in Fig. 1 im stromlosen, offe nen Zustand,

Fig. 4 eine Variante zu Fig. 3 während des Schlie ßens,

Fig. 5 eine Variante zu Fig. 3 im stromlosen, ge schlossenen Zustand,

Fig. 6 eine Variante zu Fig. 3 während des Öffnens,

Fig. 7 ein Kräftediagramm in Abhängigkeit von der Größe eines Lüftungsspalts und

Fig. 8 ein Diagramm eines Spannungsverlaufs über der Zeit.

In einem Gehäuse 2 ist mittels Wälzlager 17 eine Ab triebswelle 18 gelagert. Koaxial zur Abtriebswelle 18 und zum Wälzlager 17 ist ein weiteres Wälzlager 16 vorgesehen, über das eine Magnetfluß-Leitscheibe 5 gegenüber dem Gehäu se 2 drehbar gelagert ist. Die Magnetfluß-Leitscheibe 5 ist an ihrem äußeren Umfang als Riemenscheibe 14 ausgebildet und wird von einem Treibriemen 26 angetrieben, z. B. einem Mehrrillen-Keilriemen oder Zahnriemen. Die Magnetfluß- Leitscheibe 5 läuft mit geringem radialen Spiel zu einem Magnetkörper 3, der am Gehäuse 2 befestigt ist. Mit dem Magnetkörper 3 ist ein Dauermagnet 7 und eine Magnetspule 4 verbunden. Diese besitzt Anschlüsse 22, 23 für die elektri sche Versorgung. Eine elektronische Steuereinheit 24 er zeugt in Abhängigkeit relevanter Betriebs- und Umgebungspa rameter Stromimpulse mit einer entsprechenden Polarität, die an den Anschlüssen 22, 23 anliegen.

Die Magnetfluß-Leitscheibe 5 hat an ihrer nach außen weisenden Stirnseite eine Reibfläche 12 und bildet und die Primärseite 9 einer elektromagnetischen Einflächenkupplung, während eine Ankerscheibe 11 mit einer zweiten Reibflä che 13 zur Sekundärseite 10 der Einflächenkupplung 1 ge hört. An der Ankerscheibe 11 sind in Umfangsrichtung ver laufende Arme einer Ringfeder angenietet, während radial gerichtete, zu den Nieten 20 versetzt angeordnete Stege der Ringfeder 15 an einem Anschlußteil 8 mit Schrauben 19 ange schraubt sind. Das Anschlußteil 8 sitzt fest auf der Ab triebswelle 18.

Im geöffneten Zustand der Einflächenkupplung 1 sind die Reibflächen 12 und 13 voneinander getrennt und bilden zwischen sich einen Lüftungsspalt 21 (Fig. 3). Der resul tierende Fluß der Magnetspule 4 und des Dauermagneten 7 ist mit einer Linie 29 angedeutet. Im geöffneten Zustand der Einflächenkupplung 1 wirkt der Dauermagnet 7 allein, wobei der Magnetfluß über den Magnetkörper 3, die Magnetfluß- Leitscheibe 5 und die Ankerscheibe 11 zum Dauermagneten zurückführt. Um den Magnetfluß von der Magnetfluß- Leitscheibe 5 auf die Ankerscheibe 11 zu leiten, besitzt die Magnetfluß-Leitscheibe 5 im Bereich der Ankerscheibe 11 eine ringförmige magnetische Isolierung 6.

Die Fig. 3 bis 6 zeigen verschiedene Schaltzustände der Einflächenkupplung. Bei dem Schaltzustand nach Fig. 4 erzeugt die Steuereinheit 24 einen Stromimpuls 30 (Fig. 8) mit einer negativen Polarität an dem Anschluß 22 und einer positiven Polarität an dem Anschluß 23. Dadurch wird der Magnetfluß des Dauermagneten 7 durch den Magnetfluß der Magnetspule 4 so verstärkt, daß die Ankerscheibe 11 trotz des maximalen Lüftungsspalts 21 angezogen wird, so daß die Einflächenkupplung 1 schließt, wobei die Ringfeder 15 vor gespannt wird. Aufgrund des abnehmenden Lüftungsspalts steigen die Magnetkräfte an, so daß die Magnetkräfte des Dauermagneten 7 im geschlossenen Zustand der Einflächen kupplung 1 allein ausreichen (Fig. 5), die Einflächenkupp lung 1 geschlossen zu halten und ein gewünschtes übertrag bares Drehmoment zu gewährleisten. Die Magnetspule 4 ist in dem geschlossenen Schaltzustand stromlos.

Zum Öffnen der Einflächenkupplung 1 erzeugt die Steu ereinheit 24 einen Stromimpuls 31 (Fig. 8) mit einer entge gengesetzten Polarität an den Anschlüssen 22, 23 (Fig. 6). Dadurch wird der Magnetfluß des Dauermagneten 7 so ge schwächt, daß die vorgespannte Ringfeder 15 die Ankerschei be 11 in die Ausgangslage zurückstellen kann, so daß die zweite Reibfläche 13 von der ersten Reibfläche 12 getrennt wird und sich wieder der Schaltzustand nach Fig. 3 ergibt.

In Fig. 7 sind Kraftkennlinien 32, 33, 34, 35 über den Hub s der Ankerscheibe 11 dargestellt. Die Kennlinie 32 zeigt den Verlauf der Magnetkraft, wenn der Dauermagnet 7 und die Magnetspule 4 gleichzeitig wirken. Sie läuft in allen Bereichen über der Kennlinie 34 der Ringfeder 15, so daß die Einflächenkupplung 1 unter diesen Bedingungen si cher und schnell geschlossen werden kann. Zum Halten des geschlossenen Zustands der Einflächenkupplung 1 reicht die Magnetkraft des Dauermagneten 7 aus. Sie ist durch die Kennlinie 33 dargestellt. Wird das Magnetfeld des Dauermag neten 7 durch das Magnetfeld der Magnetspule 4 bei entge gengesetzter Polung geschwächt, ergibt sich die Kennli nie 35, d. h. die Magnetkraft der Magnetspule 4 hebt die Magnetkraft des Dauermagneten 7 auf, so daß die Kraft der Ringfeder 15 entsprechend der Kennlinie 34 in allen Berei chen größer ist und allein in Öffnungsrichtung auf die An kerscheibe 11 wirkt.

Bezugszeichen

1

Einflächenkupplung

29

Linie

2

Gehäuse

30

Stromimpuls

3

Magnetkörper

31

Stromimpuls

4

Magnetspule

32

Kennlinie

5

Magnetfluß-Leitscheibe

33

Kennlinie

6

Isolierung

34

Kennlinie

7

Dauermagnet

8

Anschlußteil

9

Primärseite

10

Sekundärseite

11

Ankerscheibe

12

erste Reibfläche

13

zweite Reibfläche

14

Riemenscheibe

15

Ringfeder

16

Wälzlager

17

Wälzlager

18

Abtriebswelle

19

Schraube

20

Niet

21

Lüftungsspalt

22

Anschluß

23

Anschluß

24

Steuereinheit

25

Lagerstutzen

26

Treibriemen

29

Linie

30

Stromimpuls

31

Stromimpuls

32

Kennlinie

33

Kennlinie

34

Kennlinie

Claims

1. Elektromagnetisch betätigte Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1), die eine Magnetspule (4) mit einem Magnetkörper (3), einen Dauermagneten (7) und auf einer Primärseite (9) eine erste Reibfläche (12) aufweist, die drehfest mit einem ersten zu kuppelnden Bauteil verbunden ist, während auf einer Sekundärseite (10) eine Ankerschei be (11) mit einer zweiten Reibfläche (13) angeordnet ist, die in einer geschlossenen Position der Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1) unter dem Einfluß eines Magnet felds des Dauermagneten (7) bei stromloser Magnetspule (4) mit der ersten Reibfläche (12) zusammenwirkt, wobei eine Ringfeder (15) die Ankerscheibe (11) mit einem Anschluß teil (8) eines zweiten zu kuppelnden Bauteils verbindet und im geöffneten Zustand der Einflächenkupplung oder Einflä chenbremse (1) zwischen den Reibflächen (12, 13) ein Lüf tungsspalt (21) ist, dadurch gekennzeich net, daß ein Stromimpuls der Magnetspule (4) das Ma gnetfeld des Dauermagneten (7) soweit schwächt, daß die Ringfeder (15) die Einflächenkupplung oder Einflächenbrem se (1) öffnet, daß der Lüftungsspalt (21) so weit ist, daß die Ringfeder (15) die Einflächenkupplung oder Einflächen bremse (1) bei stromloser Magnetspule (4) geöffnet hält, bis ein Stromimpuls der Magnetspule (4) mit entgegengesetz ter Stromrichtung das Magnetfeld des Dauermagneten (7) so weit verstärkt, daß die Einflächenkupplung oder Einflächen bremse (1) schließt, und daß der Dauermagnet (7) bei strom loser Magnetspule (4) die Einflächenkupplung oder Einflä chenbremse (1) geschlossen hält.

2. Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetspule (4) durch eine Schaltvorrichtung (24) ange steuert wird, die die Polungen der Anschlüsse (22, 23) für die Stromversorgung der Magnetspule (4) nach jedem Betäti gungsimpuls wechselt.

3. Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1) nach Anspruch 2 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromimpuls kürzer als 0,1 Sekunde dauert, vorzugs weise 0,05 Sekunden.

4. Einflächenkupplung oder Einflächenbremse (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Stromimpuls von einer elektroni schen Motorsteuerung gesteuert wird.