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Ein- und ausrückbare Wellenkupplung Die Erfindung betrifft eine ein-
und ausrückbare Wellenkupplung mit zwei stirnverzahnten Kupplungsscheiben, einer
axial verschieblichen, im Einkuppelsinn federbelasteten Schaltmuffe und einer oder
mehreren an Schrägflächen anliegenden Kugeln zum Verriegeln der Kupplung in der
eingerückten Stellung.
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Schaltkupplungen, deren Kupplungsscheiben eine Stirnverzahnung mit
geneigten Zahnflanken aufweisen, haben gegenüber den üblichen Klauenkupplungen den
Vorteil, daß das Einkuppeln erleichtert ist. Die stirnverzahnten Kupplungsscheiben,
wenn sie zum Zwecke des Einrückens axial gegeneinandergeschoben werden, beispielsweise
durch eine Feder, lassen sich nämlich auch dann ineinander einrücken, wenn sie in
einer das Einrücken an sich verhindernden Zahn-auf-Zahn-Stellung stehen. Es genügt
schon eine geringe Relativdrehung der einen Kupplungsscheibe gegenüber der anderen,
um eine Stellung Zahn-auf-Lücke herbeizuführen. Diese Relativdrehung ist z. B. bei
Wellen, die während des Einkuppelns nur durch ein geringes oder durch überhaupt
kein Dreh- oder Bremsmoment belastet sind, ohne weiteres möglich. Durch den mit
dem Einrücken der einen Kupplungsscheibe verbundenen Axialschub, der sich an den
geneigten Flanken der Stirnverzahnung in eine die Kupplungsscheiben relativ zueinander
drehende Umfangskraft umsetzt, kann die Relativdrehung bereits eintreten. Reicht
die beispielsweise von einer Feder hervorgebrachte Einrückkraft nicht aus, so ergibt
sich die erforderliche Relativdrehung der Kupplungsscheiben mindestens dann, wenn
die antriebsseitige, mit einem Motor in Verbindung stehende Kupplungsscheibe anläuft,
während die mit der getriebenen Maschine verbundene Kupplungsscheibe noch stillsteht.
Durch die an der axial verschieblichen Kupplungsscheibe wirkende Einrückkraft rückt
die Kupplung ein, sobald die Zahn-auf-Lücke-Stellung erreicht ist. Allerdings entsteht
durch das von der Kupplung zu übertragende Drehmoment an den geneigten Zahnflanken
der Stirnverzahnungen beider Kupplungsscheiben ein auf Trennen der Kupplung hinwirkender
Axialschub, der üblicherweise durch eine Verriegelung der axial verschieblichen
Kupplungshälfte in der eingerückten Stellung aufgenommen werden muß. Es wird deshalb
oft das Schaltzeug einer solchen Kupplung selbsthemmend ausgebildet, beispielsweise
in Form eines Nocken- oder Schraubentriebs oder auch in Form einer kniehebelartig
wirkenden Spreizeinrichtung. Hierbei ergibt sich aber eine fertigungs- und montagemäßig
wie auch hinsichtlich des Raumbedarfs aufwendige Kupplungsbauform. Nun sind an sich
Verriegelungseinrichtungen oder Gesperre bekannt, bei denen Kugeln als Verriegelungsmittel
dienen. Auch zum Verriegeln von Kupplungen in der eingerückten Stellung sind solche
Gesperre schon angewendet worden. Weiterhin hat man, um eine spielfreie Verriegelung
zu schaffen, die Kugeln schon an zueinander geneigten Sperrflächen anliegen lassen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche spielfreie Verriegelung
in Anwendung bei einer Kupplung mit stirnverzahnten Kupplungsscheiben so auszugestalten,
daß nach Umschalten einer Schaltgabel in eine die eingerückte Stellung der Kupplung
bezeichnende Lage das Einrücken und Verriegeln der Kupplung selbsttätig abläuft,
und zwar auch dann, wenn beim Umschalten die Kupplungsscheiben in einer Stellung
Zahn-auf-Zahn stehen.
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Dieses Ziel wird erreicht, wenn bei einer Kupplung der eingangs genannten
Gattung die zur Kupplung hin sich trichterförmig erweiternde Schaltmuffe mit ihrer
Trichterfläche die Kugeln gegen je zwei Schrägflächenpaare drückt, wobei das eine
Schrägflächenpaar an einem mit der einen zu kuppelnden Welle verbundenen Kugelkäfig,
das andere Schrägflächenpaar an der dem Kugelkäfig zugekehrten Seite der axial verschieblichen,
jedoch gegenüber ihrer Welle frei drehbaren Kupplungsscheibe vorgesehen ist.
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Eine so ausgestaltete Kupplung weist außerdem die Vorteile einfachen
Aufbaues, geringen Herstellungsaufwandes, geringen Platzbedarfs und zuverlässiger
Funktion auf. Die die Schaltmuffe belastende Feder, die Schrägflächen an der Schaltmuffe,
die Verriegelungskugeln und die mit ihnen zusammenwirkenden Schrägflächen dienen
dem Einrücken und zugleich dem Verriegeln in der eingerückten Stellung.
Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung riLher erläutert. Es
stellt dar F i g. 1 einen Längsschnitt durch die eingerückte Kupplung, Fig.2 eine
Draufsicht auf einen Abschnitt der Schaltkupplun? nach F i g. 1, F i g. 3 eine schaubildliche
Darstellung einer Einzelheit, F i g. 4 einen Längsschnitt durch die Schaltkupplung,
in der Schnittebene nach F i g. 1, aber in ausgerücktem Zustand.
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Die abgebrochen dargestellte Antriebswelle 1 ist in zwei Lagern gelagert,
von denen nur das kupplungsseitige, auf der Grundplatte 2 befestigte Lager 3 dargestellt
ist. Mit dem Wellenstumpf ist die Kupplungsscheibe 4 undrehbar verbunden. Die Kupplungsscheibe
4 ist als stirnverzahnte Scheibe ausgebildet, der die ebenso verzahnte Kupplungsscheibe
5 axial gegenübersteht. Letztere ist frei drehbar auf der Abtriebswelle 6 angeordnet,
die einerseits in einem in der Kupplungsscheibe 4 eingesetzten Kugellager 7 und
anderseits in dem im Lagerbock 8 eingesetzten Kugellager 9 gelagert ist. Die Abtriebswelle
6 trägt das die Drehbewegung weiterleitende Zahnrad 10. An- und Abtriebseite sind
miteinander vertauschbar.
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Auf der Welle 6 ist mittels des Bolzens 11 ein Kugelkäfig 12 undrehbar
und unverschieblich angeordnet. Auf diesem ist die für den Eingriff einer Schaltgabel
(nicht dargestellt) mit der Nut 137 versehene Schaltmuffe 14 axial verschiebbar
angeordnet. Auf die Schaltmuffe ist eine die Kupplungsscheibe 5 übergreifende Hülse
15 gesteckt, die an ihrem freien Ende mit dem radial nach innen gerichteten Bund
16 versehen ist. Der Bund 16 ist dem Bund 17 der l'Zupplungsscheibe 5 zugeordnet
und dient zum Zurückziehen der Kupplungsscheibe 5 beim Ausrücken der Kupplung. Zwischen
einem Bund 18 der Schaltmuffe 14 und einem Bund 19 des Kugelkäfigs 12 ist die Schraubendruckfeder
20 eingesetzt.
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Der Kugelkäfig 12 weist zwei diametral gegenüberliegende Nischen in
Form radial offener Nuten 21, 22 auf, deren Grundflächen 23a in der axialen Ebene
von den Kupplungsscheiben aus gesehen unter 45° ansteigen. Die beiden Seitenflächen
23b, 23c jeder Nut verlaufen nicht senkrecht zur Grundfläche 23 a, sondern bilden
mit der Grundfläche einen Winkel größer als 90'=. Dadurch liegen die in die Nuten
21,
22 eingelegten Kugeln 24 spielfrei an beiden Seitenflächen 23 b, 23 c
an. Die Kugeln 24 berühren nicht die Grundflächen 23 a der Nuten 21, 22; beim Einkuppelvorgang
rollen sie auf den Seitenflächen 23b
und 23 c längs der gestrichelten Linie
G ab, die parallel zur Grundfläche 23 a verläuft. An jeder Kugel 24 liegt die Stirnfläche
25 (Fig.2) der Kupplungsscheibe 5 mit je einer radialen Nut 26 an, deren
Querschnitt einem Kreisabschnitt entspricht. Der Radius R (F i g. 2) dieser Ouerschnittsfläche
ist etwas kleiner als der Kugelradius, so daß jede Kugel an den beiden Nutkanten
26 b und 26 c (F i g. 2), also in zwei Punkten spielfrei anliegt. Außerdem liegt
die Schaltmuffe 14 an den Kugeln 24 an, und zwar mit ihrem in Richtung auf die Kupplungsscheiben
4, 5 zu sich erweiternden schlanken Innenkonus 27a im eingerückten Zustand der Kupplung
und mit ihrem steilen Innenkonus 28 im ausgerückten Zustand der Kupplung. Die Ringfläche
28 der Schaltmuffe 14 ist deshalb gegen die Drehachse der Kupplung geneigt, damit
ein gegen das Muffenende hin sich erweiternder Trichter entsteht, der beim Einrückvorgang
die Kugeln 24 sowohl axial im Sinne des Einrückens der Kupplungsscheibe 5 in die
Gegenscheibe 4 als auch radial nach innen in die Sperrstellung verschiebt.
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Soll die in F i g. 1 in eingerücktem Zustand dargestellte Kupplung
ausgerückt, also in den Zustand nach F i g. 4 gebracht werden, so ist mittels der
nicht dargestellten, in die Nut 13 der Schaltmuffe 14 eingreifenden Schaltgabel
die Schaltmuffe 14 entgegen der Kraft der Schraubendruckfeder 2:1 zu verschieben.
Durch diese Verschiebung gibt der Innenkonus 27a der Schaltmuffe 14 die Kugeln 24
nach außen hin frei, so daß sie längs der Linien Gin die in F i g. 4 dargestellte
Lage rollen können. Während des Ausrückens der Kupplung übt das von der Kupplung
übertragene Drehmoment an den geneigten Flanken der Stirnverzahnungen einen Axialschub
aus, durch den die Kupplungsscheibe 5 nach links verschoben und in Anlage an den
Kugeln 24 gehalten wird. Um die Verzahnungen der beiden Kupplungsscheiben 4, 5 vollends
zu trennen, kommt im letzten Abschnitt der Verschiebung der Schaltmuffe 14 der Bund
16 der Hülse 15 am Bund 17 der Kupplungsscheibe 5 zum Anliegen und zieht diese in
die in F i g. 4 dargestellte äußerste Ausrückstellung.
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Erfolgt das Ausrücken bei unbelasteter Kupplung, so werden die Kugeln
24 nicht durch den Axialschub der Kupplungsverzahnungen bewegt, sondern lediglieh
durch die Ausrückbewegung der Kupplungsscheibe 5 mittels des Bundes 16 an der Hülse
15 der Schaltmuffe 14. Es ist auch möglich, das Ausrücken der Kupplungsscheibe 5
durch eine Feder zu bewirken.
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Soll die in F i g. 4 ausgekuppelt dargestellte Kupplung eingerückt
werden, so ist die nicht dargestellte Schaltgabel freizugeben. Die Schaltmuffe 14
wird dann durch die Kraft der Schraubendruckfeder 20 auf die Kupplungsscheiben 4,
5 zu verschoben. Bei diesem Verschieben drückt die trichterförmige Ringfläche 28
(F i g. 4) auf die Kugeln 24, die längs der Linien G auf den Nutseitenflächen 23b,
23c nach innen rollen und zugleich ein axiales Verschieben der Kupplungsscheibe
5 gegen die Kupplungsscheibe 4 hervorrufen. Während des Verschiebens der Schaltmuffe
14 erreichen die Kugeln 24 eine Stellung, in der die ringförmige Kante 29 der Schaltmuffe
14 über die Kugeln 24 hinweggleitet, bis die Verzahnung der Kupplungsscheibe 5 spielfrei
in die Verzahnung der Gegenscheibe 4 eingreift.
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Durch die in Richtung auf die Flächen 23 a konisch sich verengenden
Nuten 21 bzw. 22, den Innenkonus 27a der Schaltmuffe 14 und die kleiner
als die Kugelradien gewählten Radien R der Querschnittsflächen der Nuten 26 sind
die beiden Kugeln 24 spielfrei in ihren keilförmigen Käfgnischen eingeklemmt. Es
ist also zwischen An- und Abtriebswelle eine in Drehrichtung spielfreie Verbindung
hergestellt.
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Der bei der Drehmomentübertragung der Kupplung entstehende Axialschub
an der Kupplungsscheibe 5 wird durch die Kugeln 24 über die keilförmigen Anlageflächen
der Käfignischen in eine zur Bewegungsrichtung der Schaltmuffe 14 senkrechte Radialkraft
übersetzt und an der Fläche 27a abgestützt, so daß die Kupplung nach ihrem Einrücken
ohne eine äußere Schließkraft geschlossen bleibt, also verriegelt ist. Die Feder
20 hat lediglich beim Einrücken der Kupplung die beim Verschieben der
Muffe
14, der Kugeln 24 und der Kupplungsscheibe 5 auftretende Reibung zu überwinden.