DE102009038767B4

DE102009038767B4 - Reibschaltkupplung zur Betätigung mit einem strömungsfähigen Druckmittel

Info

Publication number: DE102009038767B4
Application number: DE102009038767.6A
Authority: DE
Inventors: Manfred Gebhart
Original assignee: Kendrion Linnig GmbH
Current assignee: Kendrion Linnig GmbH
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2029-08-28
Also published as: US8678156B2; MX2012002202A; DE102009038767A1; WO2011023393A1; US20110278127A1; AU2010288883B2; AU2010288883A1

Abstract

Reibschaltkupplung (1a, 1b) zur Betätigung mit einem strömungsfähigen Druckmittel umfassend zwei um dieselbe Drehachse drehbar gelagerte Kupplungselemente (2, 3), die zur Übertragung einer Drehbewegung miteinander in Reibkontakt bringbar sind, und einen in der Kupplung (1a, 1b) liegenden Druckraum (4), dessen Volumen mittels eines axial beweglichen Kolbens (5) veränderlich ist, wobei der Kolben (5) durch die Kraft einer Tellerfeder (6) in einer vorgegebenen Position gehalten wird, die im Inneren des Druckraumes (4) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder (6) ein äußeres Kupplungselement (2) an ein inneres Kupplungselement (3) heranzieht, so dass konische Reibflächen (8, 9) miteinander in Reibkontakt treten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Reibschaltkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Reibschaltkupplungen, die mit einem strömungsfähigen Druckmittel betätigt werden, sind in vielfältigen Ausführungsformen, insbesondere aus der Fahrzeugtechnik bekannt. Solche Reibschaltkupplungen werden mitunter dazu eingesetzt, Ventilatoren bzw. Kühl- oder Schmiermittelpumpen schaltbar mit der Motorwelle zu koppeln. Entsprechende Kupplungen missen einerseits sehr zuverlässig funktionieren und sollen andererseits eine möglichst kompakte Bauform aufweisen. Solche Kupplungen sind beispielsweise aus den Schriften DE 40 05 965 A1 und US 2009/0183963 A1 bekannt. Eine besondere konstruktive Herausforderung stellt dabei die Unterbringung eines Arbeitsraums für ein Druckmittel dar, der möglichst dicht sein soll. Zusätzlich muss in eine derartige Schaltvorrichtung mit mehreren zueinander beweglichen Teilen ein federndes Element untergebracht werden, das der Expansion des Druckmittels entgegenwirkt.
Aufgabe und Vorteile der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung bereitzustellen, die einen vergleichsweise einfachen und raumsparenden Aufbau aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Reibschaltkupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung aufgezeigt.
Die Erfindung geht von einer Reibschaltkupplung zur Betätigung mit einem strömungsfähigen Druckmittel aus, das zwei um dieselbe Achse drehbar gelagerte Kupplungselemente, die zur Übertragung einer Drehbewegung miteinander in Reibkontakt bringbar sind, und einen in der Kupplung liegenden Druckraum umfasst, dessen Volumen mittels eines axial beweglichen Kolbens veränderlich ist, wobei der Kolben durch die Kraft einer Feder in einer vorgegebenen Position gehalten wird. Der Druckraum dient der Aufnahme eines strömungsfähigen Druckmittels, mit dem durch Druckerhöhung der Kolben gegen die Kraft einer Tellerfeder verschoben und die Kupplung entweder ein- oder ausgekuppelt werden kann. Die Tellerfeder ist dabei im Innern des Druckraums angebracht. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass die Tellerfeder ein äußeres Kupplungselement an ein inneres Kupplungselement heranzieht, so dass konische Reibflächen miteinander in Reibkontakt treten.
Vor allem durch ihre flache Bauweise bieten Tellerfedern den Vorteil, dass sie in axialer Richtung der Kupplungsdrehachse vergleichsweise wenig Raum beanspruchen. Insbesondere kreisringförmige Tellerfedern sind mit ihren konzentrisch angeordneten Rändern, von denen wahlweise der Innere oder der Äußere fest eingespannt werden kann, besonders gut an die Geometrie einer Kupplung angepasst. Bei vorgegebener Form der Tellerfeder stehen weitere Parameter zur Auswahl, wie beispielsweise Material, Materialdicke sowie Einschnitte in die Federfläche, mit denen sowohl die Federstärke als auch der Federweg angepasst werden können. Dadurch ist eine erfindungsgemäße Kupplung vorteilhaft mit geringen oder keinen Änderungen der Abmessungen an verschiedene Anforderungen anpassbar. Weil an Tellerfedern flächige bzw. mehrere parallel geschaltete federnde Abschnitte zur Kraftwirkung beitragen, bieten Tellerfedern beispielsweise im Vergleich zu Spiralfedern eine höhere Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit.
Dies bietet den Vorteil, dass für das federnde Element der Kupplung kein gesonderter Einbauort vorzusehen ist. Zudem liegt der Federweg im Expansionsraum des Druckmittels, in welchem der Kolben für ein Zusammenwirken mit einer Feder gut zugänglich ist. Durch die Unterbringung der Feder, insbesondere der Tellerfeder, im Druckraum bietet eine derart ausgeführte erfindungsgemäße Reibschaltkupplung den Vorteil einer besonders kompakten Bauweise.
Zweckmäßigerweise weist eine erfindungsgemäße Reibschaltkupplung einen mechanischen Anschlag auf, der derart ausgebildet ist, dass der mechanische Anschlag eine vom strömungsfähigen Druckmittel hervorgerufene axiale Verschiebung des Kolbens auf ein vorgegebenes maximales Volumen des Druckmittel aufnehmenden Druckraums begrenzt. Ein solcher mechanischer Anschlag schränkt den Federweg ein und vermeidet daher vorteilhaft eine mögliche Überdehnung der Tellerfeder. Insbesondere, wenn der mechanische Anschlag in vergleichsweise größerer Entfernung zur Drehachse der Kupplung und symmetrisch zu dieser die Verschiebung des Kolbens aufhält, kann der mechanische Anschlag die unter Druck bestehende Stellung des Kolbens stabilisieren. Hierbei kann der mechanische Anschlag vorteilhaft Unwucht während des Betriebs der Kupplung verringern.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Flächen der Kupplungselemente, die zur Übertragung einer Drehbewegung miteinander in Reibkontakt treten können, bezüglich der Drehachse konisch ausgebildet sind. Gegenüber ebenen, senkrecht zur Drehachse der Kupplung stehenden Reibflächen kann mit konischen Reibflächen vorteilhaft die Bauhöhe einer Reibschaltkupplung entlang der Drehachse der Kupplung vorteilhaft dazu genutzt werden, die am Reibkraftschluss beteiligte Fläche zu vergrößern. Zudem bieten konische Reibflächen den Vorteil, dass die antriebs- und abtriebsseitigen Kupplungselemente im eingekuppelten Zustand zueinander zentriert sind. Aufgrund der Keilwirkung, mit der die beiden konischen Reibflächen ineinander greifen, ist die Drehmomentübertragung weniger anfällig gegenüber Schwingungen und Stößen, die senkrecht zur Drehachse wirken.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Flächen der Kupplungselemente, die zur Übertragung einer Drehbewegung miteinander in Reibkontakt treten können, bezüglich der Drehachse ohne Reibkontakt einen axialen Überlappungsbereich aufweisen, wenn man radial nach außen geht. Ein solcher axialer Überlappungsbereich, bei dem ein Kupplungselement das andere umringt, bietet einen vorteilhaften Schutz gegen das Eindringen von Verschmutzungen in das Innere der Kupplung. Des weiteren gewährleistet ein axialer Überlappungsbereich, dass auch bei Unwucht an mindestens einem Kupplungselement, beispielsweise infolge eines Lagerschadens, die Kupplung sicher eingekuppelt werden kann.
Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass an den Reibflächen eine Drehmomentübertragung stattfindet, wenn die Kraft, die das Druckmittel auf den Kolben ausübt, kleiner ist als eine Kraft der Tellerfeder, durch welche die Reibflächen aneinander gepresst werden. Somit kann die Kupplung nur dann entkuppelt werden, wenn das Druckmittel hinreichend stark unter Druck gesetzt wird. Eine solche Arbeitsweise bietet den Vorteil, dass Aggregate, die ihren Betrieb sicher fortsetzen müssen, auch dann eingekuppelt bleiben, wenn das Druckmittel nicht mehr unter Druck gesetzt werden kann.
Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an den Reibflächen eine Drehmomentübertragung stattfindet, wenn die Kraft, die das Druckmittel auf den Kolben ausübt, größer ist als eine Kraft der Tellerfeder, durch welche die Reibflächen in berührungslosen Zustand gehalten werden. Dies bedeutet, dass das Druckmittel nur zum Einkuppeln unter Druck gesetzt wird. Eine solche Ausführung der Erfindung bietet den Vorteil, dass Hilfsaggregate in einem Fahrzeug, deren Unterstützung nur sporadisch und meist für kurze Zeit benötigt wird, nur in diesen Abschnitten erfordern, dass die Kupplung unter Druck gesetzt wird. Im entkuppelten Zustand ist die Kupplung selbst druckfrei und das Hilfsaggregat verbraucht während dieser Zeit keine mechanische Leistung des Antriebs, z. B. eines Verbrennungsmotors.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass eines der Kupplungselemente zur Übertragung einer Drehbewegung Permanentmagnete aufweist, so dass ohne Reibkontakt zwischen den Kupplungselementen eine Übertragung einer Drehbewegung nach dem Prinzip einer Wirbelstromkupplung stattfinden kann. Dadurch kann vorteilhafterweise auch im ausgekuppelten Zustand der erfindungsgemäßen Kupplung eine Drehbewegung übertragen werden. Dies ermöglicht beispielsweise, Aggregate wie z. B. einen Lüfter anzutreiben, der sich während einer gesamten Betriebsdauer eines Motors bewegen muss, wobei jedoch eine maximale Drehzahl des mechanisch eingekuppelten Zustands nur selten erforderlich ist.
Vorzugsweise bestehen die Reibflächen der Kupplungselemente aus Stahl. Insbesondere, wenn die Kupplungselemente, die die Reibflächen aufweisen, aus Stahl hergestellt werden, kann durch diese Ausführung der Erfindung der Aufwand zur Herstellung der Kupplungselemente vorteilhaft reduziert werden. Weiterhin bietet dies den Vorteil eines vergleichsweise geringen Verschleißes der Reibflächen insbesondere, wenn im eingekuppelten Betrieb nur ein vergleichsweise kleines Drehmoment zum Antrieb beispielsweise eines Lüfterrads im Motorraum erforderlich ist.
Ausführungsbeispiel:
Anhand der Zeichnungen werden zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Reibschaltkupplung beschrieben und dabei weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung erläutert.
Es zeigen:
1 schematischer Schnitt durch eine erfindungsgemäße Reibschaltkupplung mit Lüfter für einen Ventilator eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs
2 schematischer Schnitt durch eine erfindungsgemäße Reibschaltkupplung mit Wirbelstromantrieb
Die Bezugszeichen werden in beiden Figuren, soweit zutreffend, in einheitlicher Weise verwendet.
In 1 ist eine pneumatisch betätigbare Lüfterkupplung 1a dargestellt. Ein Lüfterrad 22 ist mit mehreren Befestigungsschrauben 21 an einem äußeren Kupplungselement 3 befestigt. Ein inneres Kupplungselement 2 wird über Befestigungsschrauben 20 mit einer Abdeckung 11 verschraubt. Dabei ragt das Gewinde der Befestigungsschrauben 20 über die Abdeckung 11 hinaus, damit dieser Teil der Kupplung 1 mit einem Antriebselement beispielsweise einer Riemenscheibe verschraubt werden kann.
Eine Drehdurchführung 14 führt eine Druckmittelleitung 13 durch die Abdeckung 11. Zusammen mit einem Kolben 5 bildet das innere Kupplungselement 2 und die Abdeckung 11 einen Druckraum 4. Der Druckraum 4 nimmt Druckluft, die über die Leitung 13 zugeführt wird, auf.
Innerhalb des Druckraums 4 ist eine Tellerfeder 6 an ihrem äußeren Rand zwischen der Abdeckung 11 und dem inneren Kupplungselement 2 eingespannt. An ihrer inneren Berandung ist die kreisringförmige Tellerfeder 6 zwischen dem Kolben 5 und einer Federsicherungsscheibe 16 eingespannt, die ihrerseits mit einem Lagerbolzen 17 verschraubt ist. Über ein Kugellager 18 ist das äußere Kupplungselement 3 um die Kupplungsdrehachse drehbar gelagert.
Die Tellerfeder 6 zieht über die Federsicherungsscheibe 16, den Lagerbolzen 17 und das Kugellager 18 das äußere Kupplungselement 3 an das innere Kupplungselement 2 heran, so dass die konischen Reibflächen 8 und 9 miteinander in Reibkontakt treten. Somit befindet sich die Kupplung 1 ohne Überdruck im Druckraum 4 im eingekuppelten Zustand, der durch die Tellerfeder 6 hervorgerufen wird.
Durch Zuführung von Druckluft über die Leitung 13 und die Drehdurchführung 14 wird der Druck im Druckraum 4 erhöht und der Kolben 5 wird entgegen der Kraft der Feder 6 verschoben. Hierbei werden die Reibflächen 8 und 9 des inneren 2 und äußeren 3 Kupplungselements voneinander getrennt. Durch Verlust des mechanischen Reibkontakts an den Reibflächen kann ein deutlich verringertes Drehmoment nur noch über die Reibung im Kugellager 18 übertragen werden. Dadurch wird das Lüfterrad 22 gegenüber einem Antriebselement entweder nur sehr langsam oder überhaupt nicht in Drehbewegung versetzt.
Der Kolbenweg ist durch den Anschlag 7 begrenzt. Dieser stabilisiert den Kolben 5 und somit die Position des Lagerbolzens 17, des Kugellagers 18 und schließlich auch des äußeren Kupplungselements 3. Somit werden die Kräfte, die diese Kupplungsteile auf den Kolben 5 ausüben, nicht allein von den zylindrischen Wänden des Kolbens 5 und des Druckraums 4 aufgenommen. Dies bietet den Vorteil, dass sowohl der Kolben 5 als auch der Druckraum 4 mit einer vergleichsweise geringeren Tiefe in Bezug zu ihrem Durchmesser gebaut werden können.
Die 2 zeigt eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen pneumatisch betätigbaren Lüfterkupplung 1b, die jedoch zusätzlich einen Wirbelstromantrieb aufweist. Dazu befindet sich am äußeren Rand des Kupplungselements 3 ein Ring, auf dem mehrere Permanentmagnete 12 vorzugsweise symmetrisch um die Drehachse angeordnet sind. Den Permanentmagneten 12 am Kupplungselement 3 liegt in axialer Richtung ein Ring 19 mit Kühlrippen gegenüber, der den äußeren Randbereich der Abdeckung 11 bildet und mit dem inneren Kupplungselement 2 verbunden ist.
Die Abdeckung 11 wird aus einem Metall mit hoher elektrischer Leitfähigkeit, vorzugsweise Aluminium, hergestellt. Die Permanentmagnete 12 induzieren im metallisch leitfähigen Material des Kühlrippenrings 19 Wirbelströme, so dass nach dem Prinzip einer Wirbelstromkupplung das äußere Kupplungselement 3 durch elektromagnetische Kräfte in Drehrichtung des inneren Kupplungselements 2 mitbewegt wird.
Wenn die Kupplung 1b immer mit einer Druckerhöhung betätigt wird, die ausreicht, den Kolben 5 an den Anschlag 7 zu verschieben, bietet diese Ausführung der Erfindung die Möglichkeit, zwei verschiedene Drehgeschwindigkeiten des Lüfterrads 22 einzustellen. Weil der Wirbelstromantrieb dabei mit gleichbleibendem Abstand zwischen den Permanentmagneten 12 und dem Kühlrippenring 19 betrieben wird, lassen sich die Dimensionen des Kühlrippenrings 19 vergleichsweise genauer auf eine anwendungsgemäße Wärmeabfuhrleistung abstimmen.
Bezugszeichenliste

1a: Kupplung
1b: Kupplung mit Wirbelstromantrieb
2: inneres Kupplungselement
3: äußeres Kupplungselement
4: Druckraum
5: Kolben
6: Tellerfeder
7: mechanischer Anschlag
8: innere konische Reibfläche
9: äußere konische Reibfläche
10: Überlappungsbereich
11: Abdeckung
12: Permanentmagnete
13: Druckluftleitung
14: Gleitstück für Drehdurchführung
15: Abdichtung
16: Federsicherungsscheibe
17: Lagerbolzen
18: Kugellager
19: Kühlrippenring
20: Befestigungsschraube für Antriebselement
21: Befestigungsschraube für Lüfter
22: Lüfter

Claims

Reibschaltkupplung (1a, 1b) zur Betätigung mit einem strömungsfähigen Druckmittel umfassend zwei um dieselbe Drehachse drehbar gelagerte Kupplungselemente (2, 3), die zur Übertragung einer Drehbewegung miteinander in Reibkontakt bringbar sind, und einen in der Kupplung (1a, 1b) liegenden Druckraum (4), dessen Volumen mittels eines axial beweglichen Kolbens (5) veränderlich ist, wobei der Kolben (5) durch die Kraft einer Tellerfeder (6) in einer vorgegebenen Position gehalten wird, die im Inneren des Druckraumes (4) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Tellerfeder (6) ein äußeres Kupplungselement (2) an ein inneres Kupplungselement (3) heranzieht, so dass konische Reibflächen (8, 9) miteinander in Reibkontakt treten.
Reibschaltkupplung (1a, 1b) nach dem vorgenannten Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein mechanischer Anschlag (7) derart ausgebildet ist, dass der mechanische Anschlag (7) eine vom strömungsfähigen Druckmittel hervorgerufene axiale Verschiebung des Kolbens (5) auf ein vorgegebenes maximales Volumen des Druckmittel aufnehmenden Hohlraumes (4) begrenzt.
Reibschaltkupplung (1a, 1b) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen (8,9) der Kupplungselemente (2, 3), die zur Übertragung einer Drehbewegung miteinander in Reibkontakt treten können, bezüglich der Drehachse konisch ausgebildet sind.
Reibschaltkupplung (1a, 1b) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächen (8, 9) der Kupplungselemente (2, 3), die zur Übertragung einer Drehbewegung miteinander in Reibkontakt treten können, bezüglich der Drehachse ohne Reibkontakt einen axialen Überlappungsbereich (10) aufweisen, in eine Blickrichtung radial nach außen.
Reibschaltkupplung (1a, 1b) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den Reibflächen (8, 9) eine Drehmomentübertragung stattfindet, wenn die Kraft, die das Druckmittel auf den Kolben (5) ausübt, kleiner ist als eine Kraft der Tellerfeder (6), durch welche die Reibflächen (8, 9) aneinander gepresst werden.
Reibschaltkupplung (1a, 1b) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Kupplungselemente (2, 3) zur Übertragung einer Drehbewegung Permanentmagnete (12) aufweist, so dass ohne Reibkontakt zwischen den Kupplungselementen (2, 3) eine Übertragung einer Drehbewegung nach dem Prinzip einer Wirbelstromkupplung (12, 19) stattfinden kann.
Reibschaltkupplung (1a, 1b) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibflächen (8, 9) der Kupplungselemente (2, 3) aus Stahl bestehen.