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Vorrichtung zur schaltbaren Kupplung
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zweier Wellen mit vorgegebener Drehwinkelzuordnung Die Erfindung
bezieht sich auf eine Vorrichtung zur schaltbaren Kupplung zweier Wellen mit vorgegebener
Drehwinkelzuordnung gem>R dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Eine solche Kupplung ist beispielsweise durch die deutsche Offenlegungsschrift
27 53 480 bereits bekannt. Diese hat die Aufgabe, eine KhqIgluy zweier Welienteile
in einer bestimmten Drehwinkelzuordnung durchzuführen, wie dies beispielsweise bei
Hubkolben-BrennkraftT-aschinen von Kraftfahrzeugen erforderlich ist, bei denen ein
Teil der Zylinder mit dem zugeordneten Kurbelwellenteilen durch Abtrennen abgeschaltet
werden kann (zu vergleich DE-OS 28 28 298.6).
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Die Schwierigkeit bei solchen Kupplungen besteht darein, auf kleinen
Raum und mit den zur Verfügung stehenden Druckmitteldrücken eine genügend hohe Anpreßkraft
für die Reibungskupplung zu erzielen, damit die Vorkupplung bis zur Drehzahlgleichheit
in einer hinreichend kurzen Zeit durchgeführt werden kann. Im allgemeinen wird nämlich
zur Erzielung ausreichend hoher Anpreßkräfte ein relativ großer Bauraum erforderlich
sein,
oder aber es müssen die Drucknitteldrücke wesentlich erhöht werden.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher
darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit deren Hilfe
ohne eine wesentliche Vergrößerung des Bauraums oder der Druckmitteldrücke genügend
hohe- Anpreßkräfte für die Reibungskupplung zwecks Erzielung eines kurzen Vorkupplungsvorganges
bis sur Drehzahl gleichheit erzeugt werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs
1.
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Dabei wird also die bei der Kupplungsanlage auftretende Mitnahme eines
Kupplungsteils in der Weise zur Erhöhung der Anpreßkraft der Reibungskupplung herangezogen,
daß es durch Verschraubung in einem Gewinde unter Heranziehung der durch das Gewinde
bewirkten Keilverstärkung in Kupplungs-Eingriffsrichtung gedrückt wird.
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Zweckmäßigerweise soll dazu die Reibungskupplung eine in dem einen
Wellenteil verschiebbar gehaltene hydraulisch beaufschlagbare Kupplungsscheibe aufweisen,
die mit einem gegenüber diesem Wellenteil axial verschiebbar, aber unverdrehbar
gehaltenen Zwischenstück über ein eine Verstärkung der Anpreßkraft durch eine Verschraubung
bei Anlage der Kupplungsscheibe an der Kupplungsplatte des anderen Wellenteils erzeugendes
Gewinde verbunden ist. Dabei kann die erzeugte Anpreßkraft im wesentlichen durch
eine das Zwischenstück belastende Rückstellfeder, die vorteilhafterweise durch eine
Tellerfeder gebildet sein kann, bzw. durch das Maß der durch Anschläge begrenzten
Verdrehung der Kupplungsscheibe bestimmt werden.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß
den Unteransprüchen, In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
gezeigt, das im folgenden näher erläutert wird. Dabei zeigt die Zeichnung in teils
schematischer Darstellungsweise in Figur 1 einen Längsschnitt durch die zwischen
zwei Eurbelwellenteilen einer mehrzylindrigen Hubkolben-Erennkraftmaschine angeordnete
erfindungsgemäße Kupplung und
Figur 2 ein Diagramm des Verlaufes
der Drehzahl über der Zeit für die beiden miteinander zu kuppelnden Wellenteile.
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In der Figur 1 der Zeichnung ist mit 1 das ständig im Betrieb befindliche
Kurbelwellenteil und mit 2 das zuzuschaltende Eurbelwellenteil der hier nicht näher
gezeigten mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschine bezeichnet, die durch die
Kupplung 3 miteinander drehwinkelgerecht verbunden werden sollen. Dazu weist die
in einem Wellenbund 4 untergebrachte Kupplung 3 eine Reibungskupplung, die im wesentlichen
aus der mit dem Wellenteil 1 verbundenen Kupplungsplatte 5 und einer mit dem Wellenteil
2 verbindbaren Kupplungsscheibe 6 besteht, sowie eine Formschlußkupplung auf, die
im wesentlichen aus einem mit Zapfen 20 zum Eingriff in Ausnehmungen 21 der Kupplungsplatte
5 versehenen Ringkolben 19 besteht.
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Die Kupplungsscheibe 6 ist auf ihrer der Kupplungsplatte 5 zugewandten
Seite mit einem Kupplungsbelag 7 versehen und weist ein Nabenteil 9 auf, das auf
einem in das Wellenteil 1 hineinragenden Zapfen 8 des Wellenteils 2 axial verschiebbar
und drehbar gehalten ist. An seinem Außenumfang steht das Nabenteil 9 über ein Gewinde
11 mit einem Zwischenstück 10 in Eingriff, das mittels einer Axialverzahnung 13
gegenüber dem Wellenbund 4 axial verschiebbar aber unverdrehbar gehalten ist. An
seiner der Kupplungsscheibe 6 entgegengesetzten Stirnseite wird das Zwischenstück
10 von einer Tellerfeder 12 belastet, die sich am Grund der in dem Wellenbund 4
gebildeten Druckbeaufschlagungskammer 14 abstützt. Diese Druckbeaufschlagungskammer
14 steht über Druckmittelleitungen 15, 16b und 16a mit der der Kupplung 3 benachbarten
Lagerstelle 17 zur Zuführung von hydraulischem Druckmittel, nämlich Schmieröl, in
Verbindung. Mit 24 ist eine in Umfangsrichtung wirkende Rückstellfeder bezeichnet,
die die Eupplungsscheibe 6 in eine Ausgangsstellung zu ziehen versucht.
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Am Außenumfang der Kupplungsscheibe 6 sind Ausnehmungen 22 vorgesehen,
die einen vorgegebenen Umfangswinkelbereich überdecken und durch die die an dem
Ringkolben 19 angeordneten Zapfen 20 zum Eingriff in Ausnehmungen 21 an der Kupplungsplatte
5 zwecks Bildung eines Formschlusses hindurchgreifen. Dazu ist der Ringkolben 19
in dem Wellenbund 4 mittels einer Längsverzahnung
23 axial verschiebbar,
aber unverdrehbar gehalten und wird von einem an der der Kupplungsplatte 5 entgegengesetzten
Stirnseite angeordneten Druckbeaufschlagungsraum 18 her hydraulisch entgegen der
Wirkung einer Rückstellfeder 25 zur Verstellung in axialer Richtung beaufschlagt.
Dazu ist der Druckbeaufschlagungsraum 18 an die Druckmittelleitung 16b angeschlossen.
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Nachfolgend soll nun die Wirkungsweise der in der Zeichnung gezeigten
Kupplungsvorrichtung näher erläutert werden. Zum Einkuppeln wird zunächst von dem
der Kupplung 3 benachbarten Hauptlager 17 kommendes Drucköl über die Druckmittelleitungen
1 6a und 1 6b in die Druckbeaufschlagungsräume 14 und 18 geleitet. Diese Druckbeaufschlagung
führt zunächst dazu, daß die Kupplungsscheibe 6 zusammen mit dem Zwischenstück 10
in axialer Richtung bis zur Anlage an der Kupplungsplatte 5 verschoben wird. Bei
Anlage der Kupplungsreibbeläge 7 an der Kupplungsplatte 5 wird die auf dem Zapfen
8 des anzukuppelnden Wellenteils 2 verschiebbar und drehbar gehaltene Kupplungsscheibe
6 bis zum Anschlag der radialen Begrenzungen der Ausnehmungen 22 an den Zapfen 20
in Umfangsrichtung mitgenommen. Der Anschlag der Kupplungsscheibe an den konisch
in Einrückrichtung sich verjüngenden Zapfen 20 bewirkt dabei, daß eine durch die
hydraulische Druckbeaufschlagung bedingte Axialverschiebung des mit den Zapfen 20
versehenen Ringkolbens 19 verhindert wird.
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Das Gewinde 11 zwischen dem Nabenteil 9 der Kupplungssoheibe 6 und
dem Zwischenstück 10 ist nun so ausgebildet, daß die mit dem ersten Kontakt der
Reibbeläge 7 an der Kupplungsplatte 5 erfolgende Mitnahme der Eupplungsscheibe 6
bis zum Anschlag an den Zapfen 20 eine Verschraubung des Zwischenstückes 10 in axialer
Richtung, und zwar entgegen der Eingriffsrichtung der Kupplungsscheibe 6 verursacht,
wobei sich durch die geilwirkung des Gewindes 11 eine Reaktionskraft ergibt, die
die Kupplungsscheibe 6 mit ihrem Reibbelag 7 gegen die Kupplungsplatte 5 drückt.
Die Höhe der dabei erzeugten Anpreßkraft wird im wesentlichen bestimmt durch die
Tellerfeder 12, die in Zusammenwirkung mit der nur um einen vorgegebenen Winkel
in Umfangsrichtung zulässigen Verdrehung der Eupplungsscheibe 6 eine unendlich hohe
Anpreßkraft der Kupplungsschelbe, die bei festem Anschlag des Zwischenstückes 10
an dem Ringbund 4 theoretisch möglich wäre, verhindert.
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Während also die hydraulische Druckbeaufschlagung der Kupplungsscheibe
6 lediglich für den ersten Reibkontakt der Kupplungsbeläge 7 der Eupplungsscheibe
6 wander Anlagefläche der Kupplungsplatte 5 sorgt, wird die den eigentlichen Kupplungsvorgang
bewirkende Anpreßkraft der Reibkupplung durch die bei der Verschraubung des Zwischenstückes
10 gegen die Tellerfeder 12 erzielte, durch die Keilwirkung des Gewindes verstärkte
Reaktionskraft erreicht, die je nach Auslegung der Tellerfeder 12 und des zugelassenen
Verdrehwinkels der Kupplungsscheibe 6 beliebig hoch bemessen werden kann.
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Nachdem durch die Wirkung der Reibungskupplung die Drehzahldifferenz
der beiden Kurbelwellenteile 2 und 1 im wesentlichen aufgehoben ist, das heißt das
zuzuschaltende Wellenteil 2 im wesentlichen auf die Drehzahl des ständig in Betrieb
bleibenden Kurbelwellenteils 1 beschleunigt ist, bewirkt das infolge des veränderlichen
Drehmoments des zugeschalteten Kurbelwellenteils (Kompression - Expansion) auftretende
Wechselmoment ein wechselweises Lösen und Fassen der Reibkupplung, so daß beide
Eurbelwellenteile sich schrittweise gegeneinander verdrehen. Dabei werden zwangsweise
auch die Zapfen 20 des Ringkolbens 19 freigegeben, was bei richtiger Stellung der
Zapfen zu den in der Kupplungsplatte 5 angeordneten Ausnehmungen 21 zum Einrücken
der Formkupplung durch den in dem Druckbeaufschlagungsraum 18 anstehenden Öldruck
führt. Die Zapfen 20 bzw. die entsprechenden Ausnehmungen 21 der Kupplungsplatte
5 müssen dabei, um eine Durchkupplung nur bei einer vorgegebenen Winkelstellung
der Kurbelwellenhälften zueinander zu erreichen, in einer ganz bestimmten Weise
zueinander angeordnet und ungleichmäßig über den Umfang verteilt sein.
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Das in der Figur 2 gezeigte Diagramm stellt in etwa den zeitlichen
Verlauf der Drehzahlen der beiden Kurbelwellenhälften 1 und 2 während des beschriebenen
Einkuppelvorganges dar. Dabei zeigt die unterbrochene Linie 30 den Verlauf der Drehzahl
des Kurbelwellenteils 1, der im wesentlichen kons-0nt ist. Mit 31 ist dagegen der
Verlauf der Drehzahl des zuzuschaltenden Kurbelwellenteils 2 angedeutet, gemäß dem
in einem ersten Bereich des Kupplungsvorgangs, beginnend mit dem Zufassen der Kupplungsbeläge
7 aufgrund der Druckölbeaufschlagung der Reibkupplung, die Drehzahl von 0 bis etwa
zur Drehzahl des Kurbelwellenteils 1 ansteigt. Die Steigung des
Drehzahlverlaufs
wird dabei im wesentlichen durch die von der Reibkupplung aufgebrachte Anpreßkraft
sowie durch den das übertragene Drehmoment bestimmenden Reibwert der Kupplungsbeläge
bestimmt. Es folgt ein zweiter Bereich des wechselweisen Zufassens bzw. Freigebens
der Kupplung durch das zwischen den beiden Wellenteilen wirksam werdende Wechselmoment
bei etwa Drehzahlgleichheit. Dieser Zustand des wechselweisen Zufassens und Lösens
der Reibkupplung hält so lange an, bis die Kupplung sich in einem Zustand befindet,
bei dem die beiden Wellenteile 1 und 2 sich in der gewünschten Drehwinkelzuordnung
befinden und jedem Zapfen 20 des Ringkolbens 19 jeweils eine Ausnehmung 21 an der
Kupplungsplatte 5 gegenübersteht. In dieser Stellung kann die durch Formschluß bewirkte
Durchkupplung erreicht werden. Die Amplitude der Drehzahlschwankungen in dieser
Ubergangsphase vom Reibzum Formschluß der Kupplung 3 kann durch bestimmte Maßnahmen
weitgehend beeinfluß werden, indem beispielsweise eine nur schwache Steigung des
Gewindes 11 vorgesehen wird. Dadurch ist eine nur geringe, nahezu konstante Drehzahldifferenz
denkbar.
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Der Auskuppelvorgang wird bei der beschriebenen Kupplung dadurch eingeleitet,
daß die Druckölzufuhr über die Leitungen 16a und 16b durch hier nicht weiter gezeigte
Steuerventile abgeschaltet wird. Im Anschluß an die Druckölabschaltung sorgt die
Rückstellfeder 25 dafür, daß zunachst der Ringkolben 19 in seine Ausgangsstellung
zurückgezogen wird, in der die Zapfen 20 nicht mehr in Eingriff mit den Ausnehmungen
21 an der Eupplungsplatte 5 kommen, so daß als erstes der Formschluß aufgehoben
wird.
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Die an der Xupplungsscheibe 6 angreifende Rückstellfeder 24 stellt
anschließend die Kupplungsscheibe 6 in Umfangsrichtung zurück, wobei unterstützt
von der Tellerfeder 12 ein Rückschrauben des Zwischenteils tO und damit eine Entlastung
der Anpreßkraft eintritt. Nach dem Ausrücken der Reibungskupplung sind die beiden
Wellenteile 1 und 2 wieder voneinander getrennt, so daß das zugeschaltet bleibende
Wellenteil 1 weiter mit seiner Betriebsdrehzahl umläuft, während das abgeschaltete
Wellenteil 2 zum Stillstand kommt.
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Der entscheidende Vorteil der erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung
besteht darin, daß beim Einkuppeln während der ersten Mitnahme der Eupplungsscheibe
durch die bei der Verschraubung des Zwischenstücks erzielte
Reaktionskraft
eine für einen schnellen Kupplungsvorgang ausreichend hohe Kupplungsanpreßkraft
erzeugt werden kann. Dies erfolgt zudem auf -relativ engem Bauraum und ohne die
Heranziehung hoher hydraulischer Druckmitteldrücke.
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