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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Kupplung zur drehfesten Verbindung von zwei relativ zueinander drehbaren Wellen, mit einem Verbindungselement und einem Elektromagnet, wobei der Elektromagnet aus einem Magnetjoch, mindestens einer in dem Magnetjoch ortsfest aufgenommenen Magnetspule sowie einem zu dem Magnetjoch und der Magnetspule benachbart angeordneten beweglichen Magnetanker besteht, wobei zwischen dem Magnetjoch und dem Magnetanker ein veränderlicher Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Magnetanker und das Verbindungselement über ein Lager derart miteinander gekoppelt sind, dass sie zusammen axial bewegbar und relativ zueinander drehbar sind, wobei das Verbindungselement in einer ersten Axialposition eine drehfeste Verbindung zwischen den beiden Wellen aufhebt und in einer zweiten Axialposition die drehfeste Verbindung herstellt, und bei der die mindestens eine Magnetspule bei einer elektrischen Bestromung mittels einer durch eine Magnetkraft ausgelösten Bewegung des Magnetankers eine Bewegung des Verbindungselements zwischen der ersten und der zweiten Axialposition bewirkt.
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Elektromagnetische Kupplungen werden zunehmend für verschiedene Schaltaufgaben in Fahrzeugen eingesetzt. In allradgetriebenen Fahrzeugen ermöglicht eine elektromagnetische Kupplung beispielsweise eine Betriebsstrategie zur Kraftstoffeinsparung durch einen schnellen Wechsel zwischen einem Zweiantrieb und einem Vierradantrieb während der Fahrt. Grundsätzlich können elektromagnetische Betätigungssysteme hydraulische oder pneumatische Stell- oder Kopplungseinrichtungen, welche die komplexen Anforderungen moderner Fahrzeuge nur schwierig oder nur mit einem immer höheren Aufwand erfüllen können, oder die weniger energieeffizient sind, ersetzen.
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Allerdings besitzen mit Gleichspannung betriebene Elektromagneten, wie sie insbesondere im Bordnetz eines Fahrzeugs angeordnet sind, in der Regel eine nicht-lineare Kraft-Hub-Kennlinie oder Kraft-Weg-Kennlinie, bei der die magnetische Flussdichte stark von der Größe des Luftspalts im Magnetfeldkreis zwischen dem Stellelement oder Anker, und dem Aktor oder Magnetjoch mit Magnetspule, abhängt. Bei einer solchen Kennlinie ist zu Beginn des Anziehens die Magnetkraft gering, dann steigt sie mit der Verringerung des Luftspalts überproportional an, und ist schließlich bei geschlossenem Luftspalt am größten. Der Luftspalt ist aber bei einer Klauenschaltvorrichtung oder einer Zahnschaltvorrichtung zur drehfesten Verbindung zweier Wellen gerade beim Einspuren der Verzahnung beziehungsweise beim Herstellen des Formschlusses konstruktionsbedingt vergleichsweise groß und demnach die Magnetkraft also eher gering. Um die Anforderungen an eine solche elektromagnetische Schalteinrichtung dennoch zu erfüllen, benötigen diese Magnete hohe elektrische Spannungen und/oder Stromstärken und sind relativ groß. Andererseits ist der verfügbare Bauraum für den Magneten meistens stark begrenzt, und die nötige Bestromung erfordert eine teure Leistungselektronik oder kann von einem herkömmlichen Bordnetz eines Kraftfahrzeugs überhaupt nicht zur Verfügung gestellt werden. Nicht selten führt dies dazu, dass elektromagnetische Schalteinrichtungen trotz ihrer Vorteile in einem Kraftfahrzeug nicht verwendet werden können.
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Eine Möglichkeit zur Lösung des beschriebenen Zielkonflikts ist die Verwendung von sogenannten Tauchstufen. Tauchstufen können beispielsweise als konstruktive Ausgestaltungen der Magnetpole des Magnetjochs ausgebildet sein. Mittels Tauchstufen kann eine bestimmte gewünschte Hub-Kennlinie einer elektromagnetischen Stellvorrichtung erreicht werden. Beispielsweise kann mittels einer Tauchstufe eine auf den Magnetanker einwirkende Magnetkraft proportional zur Bestromung der Magnetspule sein, unabhängig von einer jeweiligen Position des Magnetankers bezüglich des Magnetjochs. Dabei kann auch ein magnetischer Nebenschluss verwendet werden. Dadurch kann zwar ein gewünschter Kennlinienverlauf erreicht werden, die Realisierung von Tauchstufen, welche schon bei relativ großen Luftspalten eine absolut so hohe Magnetkraft erzeugen, wie sie elektromagnetische Klauenkupplungen oder Zahnkupplungen erfordern, ist jedoch konstruktiv aufwendig und kostenintensiv sowie häufig aufgrund baulicher Vorgaben nicht ohne Weiteres zu verwirklichen.
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Die
DE 10 2012 210 287 A1 zeigt eine Verbindungsvorrichtung für einen Fahrzeugantriebsstrang zur schaltbaren drehfesten Verbindung von zwei relativ zueinander drehbaren Wellen, beispielsweise um eine Allradantriebswelle von einem Antriebsmoment eines Antriebsmotors zu trennen oder mit diesem zu verbinden. Die Verbindungsvorrichtung weist ein axial bewegliches Verbindungselement, einen über ein Axiallager mit dem Verbindungselement verbundenen Magnetanker, eine Magnetspule, ein Magnetjoch, welches mit der Magnetspule ortsfest verbunden ist und diese zusammen mit dem Magnetanker umhüllt, und eine Klaueneinrückfeder auf. Über das Axiallager ist das Verbindungselement in Axialrichtung mit dem Magnetanker gemeinsam verschiebbar und in Bezug zum Magnetanker drehbar angeordnet. Das Verbindungselement stellt in einer ersten Axialposition einen Formschluss zwischen den beiden Wellen her und löst den Formschluss in einer zweiten Axialposition, wobei die Magnetspule bei elektrischer Bestromung eine Bewegung des Verbindungselements zwischen der Kopplungsstellung der Wellen und der Entkopplungsstellung durch eine magnetische Anziehung des Magnetankers bewirkt. Die Klaueneinrückfeder ist radial innen bezüglich der Magnetspule und axial zwischen Magnetjoch und Magnetanker angeordnet. Die Klaueneinrückfeder bewirkt die Axialbewegung des Verbindungselements in die Kopplungsstellung. Das Magnetjoch bildet mit dem Magnetanker und dem Verbindungselement einen Magnetfeldkreis. Durch eine Bestromung der Magnetspule wird das Verbindungselement in die Entkopplungsstellung bewegt. Für diese Axialbewegung muss die Magnetkraft ausreichend groß sein, um die Kraft der Klaueneinrückfeder zu überwinden und dabei einen Luftspalt zwischen dem Magnetjoch und dem Magnetanker zu überbrücken.
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Aus der
DE 10 2013 205 174 A1 ist eine ähnliche Verbindungsvorrichtung bekannt, bei der eine Klaueneinrückfeder jedoch axial benachbart bezüglich einer Magnetspule angeordnet ist. Ein Magnetjoch und ein Magnetanker bilden einen Magnetkreis ohne Mitwirkung des Verbindungselements. Diese Konstruktion erzeugt bei einer kompakten Bauweise und einem effektiven Magnetfeldkreis eine höhere Schaltkraft im Vergleich zu der aus der
DE 10 2012 210 287 A1 bekannten Verbindungsvorrichtung.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Kupplung zur drehfesten Verbindung von zwei relativ zueinander drehbaren Wellen zu schaffen, die eine hohe Schaltkraft zu Verfügung stellt, eine schnelle Schaltung ermöglicht, eine kompakte Bauweise aufweist sowie kostengünstig herstellbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einer elektromagnetischen Kupplung zur drehfesten Verbindung von zwei relativ zueinander drehbaren Wellen eine Federeinrichtung eingesetzt werden kann, um ein mittels Magnetkraft eines Elektromagneten bewegbares Stellelement bei der Überwindung eines Schaltweges beziehungsweise eines magnetischen Luftspalts zur Herstellung eines Formschlusses zwischen den miteinander zu verbindenden Wellen zu unterstützen. Dies ermöglicht den Einsatz eines Elektromagneten mit einem vergleichsweise geringen Bauraumbedarf und einem relativ geringen Strombedarf sowie einem geringen Aufwand an Steuerungsmitteln in der elektromagnetischen Kupplung.
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Demnach geht die Erfindung aus von einer elektromagnetische Kupplung zur drehfesten Verbindung von zwei relativ zueinander drehbaren Wellen, mit einem Verbindungselement und einem Elektromagnet, wobei der Elektromagnet aus einem Magnetjoch, mindestens einer in dem Magnetjoch ortsfest aufgenommenen Magnetspule sowie einem zu dem Magnetjoch und der Magnetspule benachbart angeordneten beweglichen Magnetanker besteht, wobei zwischen dem Magnetjoch und dem Magnetanker ein veränderlicher Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Magnetanker und das Verbindungselement über ein Lager derart miteinander gekoppelt sind, dass sie zusammen axial bewegbar und relativ zueinander drehbar sind, wobei das Verbindungselement in einer ersten Axialposition eine drehfeste Verbindung zwischen den beiden Wellen aufhebt und in einer zweiten Axialposition die drehfeste Verbindung herstellt, und bei der die mindestens eine Magnetspule bei einer elektrischen Bestromung mittels einer durch eine Magnetkraft ausgelösten Bewegung des Magnetankers eine Bewegung des Verbindungselements zwischen der ersten Axialposition und der zweiten Axialposition bewirkt.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung bei dieser elektromagnetischen Kupplung außerdem vor, dass zwischen dem Magnetanker und dem Verbindungselement eine Federeinrichtung angeordnet ist, durch welche die Kopplung zwischen dem Magnetanker und dem Verbindungselement in axialer Richtung elastisch ist, um eine durch Zusammenwirken der Federkraft und der Magnetkraft erhöhte Schaltkraft zur Überbrückung des Luftspalts im Magnetfeldkreis des Elektromagneten zur Herstellung der drehfesten Verbindung zwischen den beiden Wellen zur Verfügung zu stellen.
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Unter einer Welle wird ganz grundsätzlich ein drehbares Maschinenbauteil verstanden, welches ein Drehmoment und/oder eine Drehbewegungen übertragen kann, etwa eine Antriebswelle, eine Abtriebswelle, ein Wellenrad, ein Zahnrad oder dergleichen.
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Durch die beschriebene Anordnung der Bauteile der elektromagnetischen Kupplung ist eine leistungsfähige elektromagnetisch schaltbare Verbindungsvorrichtung geschaffen. Insbesondere wird durch die Erfindung eine elektromagnetisch betätigbare Klauenkupplung mit einer relativ hohen aktuatorischen Kraft zur Verfügung gestellt, die beispielsweise die Schaltfunktion in einem Antriebsstrang für eine schnelle Zuschaltung und Abschaltung oder Umschaltung zwischen Antriebskomponenten oder Getriebebauteilen im Fahrbetrieb zuverlässig erfüllen kann, und dennoch mit einem kompakt bauenden sowie kostengünstigen Elektromagnet auskommt. Eine Ansteuerung des elektromagnetischen Aktors der Kupplung ist sowohl mit einer 12V-Bordnetzspannung als auch mit einer 24V-Bordnetzspannung eines Fahrzeugs möglich, um die nötige Schaltkraft zum Einrücken oder Ausrücken eines Verbindungselements, wie einer Schaltklaue, zu erzeugen. Somit kann in einem herkömmlichen 12V-Bordnetz ein Gleichspannungswandler für eine höhere Betriebsspannung einer Verbindungsvorrichtung entfallen und damit Kosten und Bauaufwand eingespart werden.
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Gemäß einer Weiterbildung kann bei dieser erfindungsgemäßen elektromagnetischen Kupplung vorgesehen sein, dass das Verbindungselement eine Schaltklaue ist, an der Formschlusselemente ausgebildet sind, die mit anderen Formschlusselementen zusammenwirken, welche an den miteinander zu verbindenden Wellen ausgebildet sind, so dass abhängig von der Axialposition des Verbindungselements ein Formschluss zwischen den Wellen hergestellt oder gelöst ist, wobei beim Herstellen der Wellenverbindung bei einem Auftreten einer Betriebsstellung der Wellen zueinander, in der das Einspuren der Formschlusselemente blockiert ist, mittels der Magnetkraft des Elektromagneten die Federeinrichtung zunächst axial komprimiert und gespannt wird, wobei sich der Magnetanker um den Kompressionsweg der Federeinrichtung weiter in Richtung zur Magnetspule bewegt, und sobald sich nach einer Relativdrehung der Wellen eine Betriebsstellung ergibt, in welcher das Einspuren der Formschlusselemente möglich ist, die Federkraft der Federeinrichtung zusammen mit der Magnetkraft des Elektromagneten das Einrücken des Verbindungselements bewirkt.
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Das Verbindungselement kann beispielsweise als eine Verbindungshülse mit einer axialen Innenverzahnung ausgebildet sein, die mit einer axialen Außenverzahnung der zugeordneten ersten Welle im Eingriff steht. Demnach bewegt sich zum Schalten einer drehfesten Verbindung einer ersten Welle mit einer zweiten Welle das Verbindungselement, welches mit der ersten Welle drehfest und axial zueinander bewegbar verbunden ist, bei einer Bestromung der Magnetspule mittels Magnetkraft, mitgenommen von dem Magnetanker, auf dieser Welle axial in Richtung zweiter Welle. Unter der Annahme, dass Reibungskräfte und Trägheitskräfte vernachlässigbar gegenüber der Federkraft der Federeinrichtung sind, wird die Feder bei der gemeinsamen Axialbewegung von Anker und Verbindungselement nicht oder nur geringfügig komprimiert. Trifft beim Aufeinandertreffen der jeweiligen Klauen oder Verzahnungen von Verbindungselement und zu verbindender Welle exakt Zahn auf Zahnlücke, so können diese Formschlusselemente widerstandsfrei axial ineinander gleiten.
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Trifft bei der Axialbewegung des Verbindungselements hingegen teilweise oder vollständig Zahn auf Zahn, so wird die Axialbewegung des Verbindungselements zunächst blockiert. Die Magnetkraft bewirkt nun, dass die Federeinrichtung komprimiert wird. Der Magnetanker kann sich bei der Komprimierung der Federeinrichtung, der axialen Verkürzung der Federlänge entsprechend, weiter der Magnetspule annähern und den Luftspalt verkleinern, wodurch sich die Magnetkraft erhöht, während das Verbindungselement beziehungsweise die Schaltklaue axial auf die Verzahnung der Welle drückt. Die Federeinrichtung wirkt solange als ein mechanischer Kraftspeicher, bis die Zahn-auf-Zahn-Stellung beim Verdrehen des Verbindungselements beziehungsweise der ersten Welle gegenüber der zweiten Welle aufgelöst wird.
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Sobald die relativ zueinander drehenden Wellen eine Zahn-auf-Lücke-Stellung erreichen, spurt die Verzahnung ein. Bei dem Vorgang zum Einspuren wirkt nun zusätzlich zur Magnetkraft die Federkraft in der Stellrichtung und erleichtert das Einspuren. Eine resultierende Schaltkraft ist somit um die Federkraft erhöht. Der Arbeitspunkt der Stellvorrichtung in einer Kraft-Hub-Kennlinie wird zu höheren Kräften hin verschoben. Zudem wird die Einspurbewegung durch die höhere Kraft beschleunigt, also zeitlich verkürzt. Da die Federeinrichtung das Einrücken der Kupplung unterstützt und sicherstellt, kann in der Klauenkupplung ein Elektromagnet genutzt werden, dessen magnetische Schaltkraft aufgrund einer vorgegebenen maximalen Baugröße, einer begrenzten Stromstärke im Fahrzeugbordnetz und/oder eines relativ großen Luftspalts im magnetischen Kreis für sich allein genommen eigentlich grenzwertig oder eher unzureichend ist, nun aber durch die Feder unterstützt wird. Nach dem Einspuren der Verzahnung der miteinander zu verbindenden Bauteile fährt der Anker bis zum Anschlag am Magnetjoch, so dass der Luftspalt im Magnetfeldkreis geschlossen ist. Bei einem Luftspalt mit dem Wert Null erzeugt der Magnet seine maximale Kraft zum Herstellen und Halten des vollständigen Formschlusses der Wellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Elektromagnet als ein Doppelhubmagnet ausgebildet ist, bei dem in dem Magnetjoch zwei sich gegenüberliegende Magnetspulen aufgenommen sind, zwischen denen der Magnetanker derartig axial bewegbar ist, dass eine der beiden Magnetspulen bei einer elektrischen Bestromung mittels einer durch eine Magnetkraft ausgelösten Bewegung des Magnetankers eine Bewegung des Verbindungselements zur Herstellung einer drehfesten Verbindung zwischen einer ersten Welle und einer zweiten Welle bewirkt, und die andere der beiden Magnetspulen bei deren elektrischen Bestromung mittels einer durch eine Magnetkraft ausgelösten Bewegung des Magnetankers eine Bewegung des Verbindungselements zur Herstellung einer drehfesten Verbindung zwischen der ersten Welle und einer dritten Welle bewirkt.
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Durch diese Anordnung ist eine kompakt bauende elektromagnetische Schaltklaue mit zwei Kopplungsstellungen realisiert. Demnach kann die Federeinrichtung doppelseitig wirksam sein, wobei in einer der beiden Axialrichtungen eine zweite Welle und in der axialen Gegenrichtung ein dritte Welle mit der ersten Welle drehfest verbindbar ist.
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Weiter wird es als vorteilhaft beurteilt, wenn vorgesehen ist, dass die elastische Kopplung zwischen dem Magnetanker und dem Verbindungselement mittels eines einreihigen oder mehrreihigen Radialkugellagers realisiert ist, bei dem ein Lagerinnenring mit dem Verbindungselement fest verbunden ist, und bei dem ein Lageraußenring über die Federeinrichtung mit dem Magnetanker verbunden oder wirkverbunden ist. Durch ein solches Lager kann sich das Verbindungselement reibungsarm gegenüber dem drehfesten Magnetanker drehen und zugleich das Verbindungselement in Axialrichtung vom Anker mitgenommen werden, wobei zwischen Anker und Verbindungselement eine begrenzte Relativbewegung möglich ist, die durch einen Federweg der Federeinrichtung bestimmt ist.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Lageraußenring im Längsschnitt ein U-förmiges Profil mit zwei radialen Schenkeln aufweist, dass zwischen den beiden Schenkeln die Federeinrichtung angeordnet ist, wobei sich axiale Enden der Federeinrichtung an einander zugewandten Seiten der beiden Schenkel axial abstützen, dass der Magnetanker einen ringförmigen Steg aufweist, der radial in das U-förmige Profil des Lageraußenrings hineinragt, und dass der Steg des Magnetankers mit der Federeinrichtung im Eingriff steht.
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Durch diese Anordnung ist eine einfache elastische Axialkopplung zwischen dem Magnetanker und dem Verbindungselement erreicht. Der Magnetanker kann demnach über den Ringsteg des Magnetankers fingerartig in die Federeinrichtung eingreifen und diese mit einer Axialkraft innerhalb des U-förmigen Profils des Lageraußenrings beaufschlagen sowie dort komprimieren, sobald der Axialbewegung des Verbindungselements ein Widerstand durch eine Zahn-auf-Zahn-Stellung oder dergleichen entgegensteht. Zudem wird die Axialbewegung des Magnetankers bei der Komprimierung der Federeinrichtung und der damit verbundenen axialen Relativbewegung zwischen dem Magnetanker und dem Lageraußenring beziehungsweise Verbindungselement nicht durch eine Seitenbegrenzung des U-förmigen Profils des Lageraußenrings behindert.
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Weiter kann vorgesehen sein, dass die Federeinrichtung zwei Druckfedern oder zwei jeweils aus mehreren über den Umfang verteilt angeordneten Druckfedern bestehende Druckfederpakete umfasst, und dass diese Federeinrichtung so in dem U-förmigen Profil des Lageraußenrings aufgenommen ist, dass sich jeweils ein axial äußeres Ende einer Druckfeder oder eines Druckfederpakets an einer axial inneren Stirnseite eines radialen Schenkels des Lageraußenrings und ein axial inneres Ende der Druckfeder oder des Druckfederpakets an einer axialen Stirnseite des Ringstegs des Magnetankers abstützen.
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Eine solche Federeinrichtung mit zwei Druckfedern beziehungsweise zwei Druckfederpaketen ist doppelseitig wirksam und daher besonders für eine elektromagnetische Kupplung mit zwei entgegengerichteten Kopplungsstellungen geeignet. Demnach kann der Magnetanker axial mittig zwischen den beiden Federn eingreifen und je nach Stellrichtung die betreffende Feder beim Auftreten eines Stellwiderstands komprimieren.
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Alternativ dazu kann vorgesehen sein, dass die Federeinrichtung eine Druckfeder oder ein aus mehreren über den Umfang verteilt angeordneten Druckfedern bestehendes Druckfederpaket umfasst, dass die Federeinrichtung axial zwischen den beiden radialen Schenkeln des Lageraußenrings aufgenommen ist, dass sich jeweils ein axiales Ende der Druckfeder oder des Druckfederpakets an einer axial inneren Stirnseite eines radialen Schenkels des Lageraußenrings abstützt, und dass der Ringsteg des Magnetankers in die Druckfeder oder das Druckfederpaket eingreift. Eine solche Anordnung ist vorzugsweise für Kupplungen mit nur einer Kopplungsstellung geeignet.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Federeinrichtung eine progressive Federkennlinie aufweist, deren Verlauf mindestens annähernd dem Verlauf einer Kraft-Weg-Kennlinie des Elektromagneten entspricht.
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In einem Fahrzeug-Gleichspannungsbordnetz betriebene elektromagnetische Stellvorrichtungen weisen meistens eine progressive Kraft-Weg-Kennlinie auf. Ein solcher Verlauf besteht näherungsweise aus zwei linearen Kennlinienbereichen. Zunächst steigt die Magnetkraft mit kleiner werdendem Luftspalt bis zu einem Übergangsbereich nur schwach an, um anschließend in einen steilen Anstieg überzugehen. Da die Schaltkraft des Elektromagneten durch die Federkraft insbesondere an derjenigen Stellwegposition, an der die Schaltklaue in Verzahnungseingriff mit der zu verbindenden Welle gebracht wird, erhöht werden soll, ist es vorteilhaft, wenn die Federkennlinie diese Kraft-Weg-Kennlinie nachbildet, damit zum Einspuren der Verzahnung eine besonders hohe Federkraft erzeugt wird. Geeignete Federn mit einer sogenannten geknickten Federkennlinie, die einen solchen progressiven Verlauf zeigen, können beispielsweise durch sich verengende Windungsabstände oder sich verjüngende Windungen in den Endbereichen der Feder erzeugt werden. Solche Federn stehen bereits in verschiedenen Ausführungen am Markt zur Verfügung.
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Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Kupplung mit einem Doppelhubmagneten mit einer Arbeitspunktverschiebung durch eine Federeinrichtung in einem Längsschnitt, und
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2 ein Kraft-Weg-Diagramm einer elektromagnetischen Kupplung gemäß der Erfindung.
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Zur zeichnerischen Vereinfachung ist in 1 die spiegelsymmetrische untere Vorrichtungshälfte nicht dargestellt.
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Demnach zeigt 1 eine elektromagnetische Kupplung zur wahlweisen beziehungsweise wechselweisen drehfesten Verbindung einer ersten Welle 1 mit einer zweiten Welle 2 oder der ersten Welle 1 mit einer dritten Welle 3. Erkennbar ist die zweite Welle 2 als eine Hohlwelle ausgebildet, während die erste Welle 1 und die dritte Welle 3 Zentralwellen sind, wobei letztere koaxial sowie axial beabstandet zueinander angeordnet sind. Die erste Welle 1 und die dritte Welle 3 weisen axiale Außenverzahnungen 13, 15 auf, während an der zweiten Welle 2 eine axiale Innenverzahnung 14 ausgebildet ist.
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Eine erste Axialposition der elektromagnetischen Kupplung entspricht einer Entkopplungsstellung, eine zweite Axialposition entspricht einer Kopplungsstellung der ersten Welle 1 mit der zweiten Welle 2, eine dritte Axialposition entspricht einer Kopplungsstellung zur Kopplung der ersten Welle 1 mit der dritten Welle 3. Die elektromagnetische Kupplung weist einen als Doppelhubmagnet ausgebildeten Elektromagneten 4 auf, der aus einem ortsfesten Magnetjoch 5, zwei Magnetspulen 6a, 6b sowie einem Magnetanker 7 besteht. Die beiden Magnetspulen 6a, 6b sind diametral entgegengesetzt in dem Magnetjoch 5 aufgenommen. Axial zwischen den Magnetspulen 6a, 6b ist der Magnetanker 7 angeordnet. Das Magnetjoch 5 bildet jeweils bei Bestromung einer Spule 6a, 6b mit dieser Spule 6a, 6b und dem Anker 7 einen magnetischen Kreis, der durch einen Luftspalt x, x’ unterbrochen ist. Der Magnetanker 7 ist axial bewegbar angeordnet, so dass der Luftspalt x, x’ zwischen dem Anker 7 und der Spule 6a, 6b veränderlich ist.
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Der Magnetanker 7 ist radial innen über ein Radialkugellager 8 mit einem Verbindungselement 9 gekoppelt. Dieses Verbindungselement 9 ist als eine hülsenförmige Schaltklaue ausgebildet, die koaxial über der ersten Welle 1 angeordnet ist und von dieser geführt wird. Das Verbindungselement 9 weist an seinem Innenumfang eine nicht dargestellte, axial ausgerichtete Innenverzahnung auf, die mit einer axialen Außenverzahnung 19 der ersten Welle 1 im ständigem Verzahnungseingriff ist, so dass das Verbindungselement 9 auf der ersten Welle 1 längs verschiebbar und drehfest angeordnet ist.
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Am rechten Ende des Verbindungselements 9 ist wie schon erwähnt eine Außenaxialverzahnung 13 ausgebildet oder ein Verzahnungsring drehfest mit dem Verbindungselement 9 verbunden. Zum Herstellen einer drehfesten Verbindung der ersten Welle 1 mit der zweiten Welle 2 kann die Verzahnung 13 durch ein axiales Verschieben des Verbindungselements 9 in Richtung zur zweiten Welle 2 mit der Verzahnung 14 oder einem Verzahnungsring dieser Welle 2 in Verzahnungseingriff gebracht werden. Zum Herstellen einer drehfesten Verbindung der ersten Welle 1 mit der dritten Welle 3 kann die Innenverzahnung des Verbindungselements 9 durch Verschieben in der axialen Gegenrichtung mit der Verzahnung 15 oder einem Verzahnungsring der dritten Welle 3 in Verzahnungseingriff gebracht werden.
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Das Radialkugellager 8 ist als ein zweireihiges Kugellager mit einem Lagerinnenring 10 und einem Lageraußenring 11 ausgebildet, zwischen denen nicht bezeichnete Wälzkörper angeordnet sind. Die Wälzkörper rollen in bekannte Weise auf Laufbahnen der beiden Lagerringe 10, 11 ab. Der Lagerinnenring 10 ist fest mit dem Verbindungselement 9 verbunden oder einstückig mit dem Verbindungselement 9 ausgebildet. Der Lageraußenring 11 weist im Längsschnitt ein kastenförmiges, nach radial außen offenes U-Profil mit zwei radialen Schenkeln 17, 18 auf. Zwischen den beiden radialen Schenkeln 17, 18 ist eine Federeinrichtung 16 aufgenommen. Die Federeinrichtung 16 umfasst zwei Federpakete 16a, 16b, welche axial nebeneinander angeordnet sind. Jedes Federpaket 16a, 16b besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Anordnung von mehreren Schraubendruckfedern, die über den Umfang der Vorrichtung verteilt platziert sind. Die Anordnung anderer Federtypen ist möglich.
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Der Magnetanker 7 weist einen Ringsteg 12 auf, der von dem Ankerkörper nach radial innen absteht und in das U-Profil des Lageraußenrings 11 hineinragt. Der Ringsteg 12 greift axial zwischen die beiden Federpakete 16a, 16b in die Federeinrichtung 16 ein. Die Federn der Federpakete 16a, 16b stützen sich mit ihrem axial äußeren Ende an einer Stirnwand eines jeweils zugeordneten radialen Schenkels 17, 18 und mit ihrem axial inneren Ende an einer jeweils zugeordneten Stirnseite des radial nach innen ragendes Ringsteges 12 ab.
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Durch die Federeinrichtung 16 ist der Magnetanker 7 über den Ringsteg 12 mit dem Verbindungselement 9 in axialer Richtung elastisch gekoppelt. Die gekoppelte gemeinsame Axialbeweglichkeit von Verbindungselement 9 und Magnetanker 7 erlaubt somit eine axiale Relativbewegung, die von dem Federweg der Federeinrichtung 16 begrenzt ist.
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2 zeigt ein beispielhaftes Kraft-Weg-Diagramm einer elektromagnetischen Kupplung mit den Merkmalen der Erfindung für den Verlauf einer Schaltung in eine Kopplungsstellung. Demnach weist der Elektromagnet 4 eine progressive Kennlinie F_magnet auf. Die Federeinrichtung 16 weist ebenfalls eine progressive Kennlinie F_spring auf, welche annähernd mit der Kennlinie des Elektromagneten 4 übereinstimmt. Die beiden Kennlinien F_magnet, F_spring gehen im Wesentlichen, von großen Luftspalten x zu kleinen Luftspalten x hin betrachtet, von einem ersten Kraftbereich mit einem schwachen linearen Anstieg gefolgt von einem kurzen Übergangsbereich in einen zweiten Kraftbereich mit einem starken linearen Anstieg über.
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Bei dem Doppelhubmagnet gemäß 1 entspricht der Kennlinienverlauf sowohl einer Schaltung zur Herstellung einer drehfesten Verbindung der ersten Welle 1 mit der zweiten Welle 2 als auch einer Schaltung zur Herstellung einer drehfesten Verbindung der ersten Welle 1 mit der dritten Welle 3. Im Folgenden wird als Beispiel die Herstellung einer drehfesten Verbindung der ersten Welle 1 mit der zweiten Welle 2 betrachtet.
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Zu Beginn befindet sich die Kupplung in einer ersten Axialposition, die einer Entkopplungsstellung entspricht. Der Magnetanker 7 steht axial mittig zwischen den beiden Magnetspulen 6a, 6b, Der Luftspalt x zwischen der ersten Magnetspule 6a und dem Magnetanker 7 ist ebenso groß wie der Luftspalt x’ zwischen der zweiten Magnetspule 6b und dem Magnetanker 7. Die erste Magnetspule 6a wird nun bestromt, so dass eine Magnetkraft erzeugt wird, die den Magnetanker 7 in der 1 nach links anzieht. In 2 entspricht die Ausgangsposition einer nicht markierten Stellung am rechten Diagrammrand.
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Der Magnetanker 7 bewegt sich durch die Anziehungskraft in Richtung der ersten Magnetspule 6a, um den Luftspalt x zu schließen. Dabei wird das hülsenförmige Verbindungselement 9, welche ja über das Radiallager 8 mit dem Magnetanker 7 gekoppelt ist, vom Magnetanker 7 mitgenommen. Die beiden Wellen 1, 2 drehen sich währenddessen relativ zueinander. Da das Verbindungselement 9 mit der ersten Welle 1 im ständigen drehfesten Verzahnungseingriff ist, dreht sie sich bei einer Drehung der ersten Welle 1 entsprechend mit. Die magnetische Anziehungskraft F_magnet ist zunächst niedrig und steigt mit kleiner werdendem Luftspalt x nur allmählich an. Der Verzahnungsring 13, welcher mit dem Verbindungselement 9 fest verbunden ist, fährt bei der Axialbewegung auf die Verzahnung 14 der zweiten Welle 2 zu und nähert sich dieser an, bis die beiden Formschlusselemente 13, 14 stirnseitig aufeinandertreffen und die Weiterbewegung zunächst blockieren, also eine Zahn-auf-Zahn-Stellung einnehmen. Diese Stellposition entspricht einer Einspurposition x_mesh im Kraft-Weg-Diagramm. Der Magnethub und der Federweg entlang des Luftspaltes x, die Magnetkraftkennlinie F_magnet und die Federkraftkennlinie F_spring sind so aufeinander abgestimmt, dass an der Zahn-auf-Zahn-Position beziehungsweise Einspurposition x_mesh der beiden Formschlusselemente 13, 14 von Verbindungselement 9 und zweiter Welle 2 bei einer geringen weiteren Verkleinerung des Luftspalts x eine wirksame Stellkraft stark ansteigt. Durch den Axialwiderstand der Zahn-auf-Zahn-Stellung bewirkt die Magnetkraft nun, dass das betreffende Federpaket 16a axial komprimiert und dadurch gespannt wird. Die Spannkraft steigt trotz eines relativ kleinen axialen Komprimierungsweges aufgrund der progressiven Federkennlinie F_spring stark an.
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Der Körper des Magnetankers 7 bewegt sich um den Komprimierungsweg des Federpakets 16a weiter in Richtung zu der Magnetspule 6a und verkleinert den Luftspalt x weiter, so dass die Magnetkraft aufgrund ihrer progressiven Kennlinie F_magnet entsprechend stark ansteigt. An der Einspurposition x_mesh entsteht durch die gespannte Feder 16a ein potentieller Kraftzuwachs F_inc. Der Arbeitspunkt beziehungsweise Schaltpunkt der Kupplung wird somit mittels der progressiven Feder 16a bei einer Zahn-auf-Zahn-Stellung zu einer höheren Schaltkraft hin verschoben. Sobald sich eine Zahn-auf-Lücke-Stellung ergibt, spuren die beiden Formschlusselemente 13, 14 mit der erhöhten Schaltkraft und einer resultierenden erhöhten Schaltgeschwindigkeit ein, so dass die drehfeste Verbindung zwischen der ersten Welle 1 und der zweiten Welle 2 geschaltet ist.
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Zum Lösen der drehfesten Verbindung kann die Bestromung der Magnetspule 6a umgepolt werden, so dass eine Abstoßungsbewegung des Magnetankers 7 in Richtung Entkopplungsstellung erfolgt. Es ist auch möglich, eine Bestromung der zweiten Magnetspule 6b durchzuführen, um den Magnetanker 7 in Entkopplungsrichtung anzuziehen. Es können auch hier nicht dargestellte Rückstellfedern vorgesehen sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erste Welle
- 2
- Zweite Welle
- 3
- Dritte Welle
- 4
- Elektromagnet
- 5
- Magnetjoch
- 6a
- Erste Magnetspule
- 6b
- Zweite Magnetspule
- 7
- Magnetanker
- 8
- Lager, Radialkugellager
- 9
- Verbindungselement, Schaltklaue
- 10
- Lagerinnenring
- 11
- Lageraußenring
- 12
- Ringsteg am Magnetanker
- 13
- Formschlusselement, Verzahnung, Verzahnungsring
- 14
- Formschlusselement, Verzahnung, Verzahnungsring
- 15
- Formschlusselement, Verzahnung, Verzahnungsring
- 16
- Federeinrichtung
- 16a
- Erste Feder der Federeinrichtung
- 16b
- Zweite Feder der Federeinrichtung
- 17
- Erster Schenkel des Lageraußenrings
- 18
- Zweiter Schenkel des Lageraußenrings
- 19
- Axiale Außenverzahnung des Verbindungselements
- F
- Kraft
- F_inc
- Kraftzuwachs
- F_magnet
- Magnetkraft, Magnetkraftkennlinie
- F_spring
- Federkraft, Federkraftkennlinie
- X, x’
- Luftspalt
- x_mesh
- Einspurposition
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012210287 A1 [0005, 0006]
- DE 102013205174 A1 [0006]