DE102015201854A1

DE102015201854A1 - Electromagnetic clutch for non-rotatable connection of two relatively rotatable shafts

Info

Publication number: DE102015201854A1
Application number: DE102015201854.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Pantke; Matthias NITSCH; Martin Ruider
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-08-04

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Kupplung zur drehfesten Verbindung von zwei relativ zueinander drehbaren Wellen (1, 2, 3), mit einem Verbindungselement (9) und einem Elektromagnet (4), wobei der Elektromagnet (4) aus einem Magnetjoch (5), mindestens einer in dem Magnetjoch (5) ortsfest aufgenommenen Magnetspule (6a, 6b) sowie einem zu dem Magnetjoch (5) und der Magnetspule benachbart angeordneten beweglichen Magnetanker (7) besteht, wobei zwischen dem Magnetjoch (5) und dem Magnetanker (7) ein veränderlicher Luftspalt (x, x’) ausgebildet ist, wobei der Magnetanker (7) und das Verbindungselement (9) über ein Lager (8) derart miteinander gekoppelt sind, dass sie zusammen axial bewegbar und relativ zueinander drehbar sind, wobei das Verbindungselement (9) in einer ersten Axialposition eine drehfeste Verbindung zwischen den beiden Wellen (1, 2, 3) aufhebt und in einer zweiten Axialposition die drehfeste Verbindung herstellt, und bei der die mindestens eine Magnetspule (6a, 6b) bei einer elektrischen Bestromung mittels einer durch eine Magnetkraft ausgelösten Bewegung des Magnetankers (7) eine Bewegung des Verbindungselements (9) zwischen der ersten und der zweiten Axialposition bewirkt. Zwischen dem Magnetanker (7) und dem Verbindungselement (9) ist eine Federeinrichtung (16, 16a, 16b) angeordnet, durch welche die Kopplung zwischen dem Magnetanker (7) und dem Verbindungselement (9) in axialer Richtung elastisch ist, um eine durch Zusammenwirken der Federkraft (F_spring) und der Magnetkraft (F_magnet) erhöhte Schaltkraft zur Überbrückung des Luftspalts im Magnetfeldkreis des Elektromagneten (4) zur Herstellung der drehfesten Verbindung zwischen den beiden Wellen zur Verfügung zu stellen.The invention relates to an electromagnetic clutch for non-rotatable connection of two relatively rotatable shafts (1, 2, 3), with a connecting element (9) and an electromagnet (4), wherein the electromagnet (4) consists of a magnetic yoke (5), at least a magnet coil (6a, 6b) fixedly received in the magnetic yoke (5) and a movable magnet armature (7) arranged adjacent to the magnetic yoke (5) and the magnet coil, wherein a variable magnet between the magnetic yoke (5) and the magnet armature (7) Air gap (x, x ') is formed, wherein the magnet armature (7) and the connecting element (9) via a bearing (8) are coupled together such that they are axially movable together and rotatable relative to each other, wherein the connecting element (9) in a first axial position, a rotationally fixed connection between the two shafts (1, 2, 3) picks up and produces the rotationally fixed connection in a second axial position, and wherein the at least one magnetic coil (6 a, 6b) causes a movement of the connecting element (9) between the first and the second axial position during an electrical energization by means of a triggered by a magnetic force movement of the armature (7). Between the magnet armature (7) and the connecting element (9), a spring means (16, 16a, 16b) is arranged, through which the coupling between the armature (7) and the connecting element (9) in the axial direction is elastic to one by interaction the spring force (F_spring) and the magnetic force (F_magnet) increased switching force for bridging the air gap in the magnetic field of the solenoid (4) to provide the rotationally fixed connection between the two waves available.

Description

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. The invention relates to an electromagnetic clutch for rotationally fixed connection of two relatively rotatable shafts, with a connecting element and an electromagnet, wherein the electromagnet of a magnetic yoke, at least one magnet yoke fixedly received in the magnetic coil and adjacent to the magnetic yoke and the magnet coil arranged movable armature wherein between the magnetic yoke and the armature, a variable air gap is formed, wherein the armature and the connecting element are coupled via a bearing such that they are axially movable together and rotatable relative to each other, wherein the connecting element in a first axial position, a rotationally fixed connection picks up between the two shafts and establishes the non-rotatable connection in a second axial position, and in which the at least one magnetic coil in an electrical energization by means of a triggered by a magnetic force movement the magnet armature causes a movement of the connecting element between the first and the second axial position.

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. Electromagnetic clutches are increasingly used for various switching tasks in vehicles. In four-wheel drive vehicles, for example, an electromagnetic clutch enables an operating strategy to save fuel by rapidly changing between a two-drive and a four-wheel drive while driving. In principle, electromagnetic actuation systems can replace hydraulic or pneumatic actuating or coupling devices, which can only meet the complex requirements of modern vehicles with difficulty, or only with ever greater effort, or which are less energy-efficient.

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. However, DC-operated electromagnets, such as those arranged in particular in the electrical system of a vehicle, usually have a non-linear force-stroke characteristic or force-displacement characteristic, in which the magnetic flux density is greatly dependent on the size of the air gap in the magnetic field between the actuator or armature, and the actuator or magnetic yoke with magnetic coil depends. In such a characteristic, the magnetic force is low at the beginning of the tightening, then it increases disproportionately with the reduction of the air gap, and is finally greatest when the air gap is closed. However, the air gap is relatively large in a claw switching device or a tooth switching device for non-rotatable connection of two shafts just when meshing the teeth or when making the positive connection and therefore the magnetic force rather low. Nevertheless, to meet the requirements of such an electromagnetic switching device, these magnets require high voltages and / or currents and are relatively large. On the other hand, the available space for the magnet is usually very limited, and the necessary power requires expensive power electronics or can not be made available from a conventional electrical system of a motor vehicle at all. Not infrequently this leads to the fact that electromagnetic switching devices can not be used despite their advantages in a motor vehicle.

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. One way of solving the described conflict of objectives is the use of so-called immersion levels. Immersion stages can be designed, for example, as constructive configurations of the magnetic poles of the magnetic yoke. By means of immersion stages a certain desired stroke characteristic of an electromagnetic actuator can be achieved. For example, by means of a dipping step, a magnetic force acting on the magnet armature can be proportional to the energization of the magnet coil, independently of a respective position of the magnet armature with respect to the magnet yoke. In this case, a magnetic shunt can be used. As a result, although a desired characteristic curve can be achieved, the realization of immersion stages, which already generate relatively high magnetic force at relatively large air gaps, as required electromagnetic claw couplings or gear couplings, but is structurally complex and costly and often due to structural constraints not readily to realize.

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. The DE 10 2012 210 287 A1 shows a connection device for a vehicle drive train for switchable rotationally fixed connection of two relatively rotatable shafts, for example, to disconnect or connect an all-wheel drive shaft from a drive torque of a drive motor. The connecting device comprises an axially movable connecting element, a magnet armature connected to the connecting element via a thrust bearing, a magnet coil, a magnetic yoke which is fixedly connected to the magnet coil and envelops it together with the magnet armature, and a claw engagement spring. About the thrust bearing, the connecting element in the axial direction with the armature is displaced together and rotatably arranged with respect to the armature. The connecting element establishes a positive connection between the two shafts in a first axial position and releases the positive locking in a second axial position, the magnetic coil, upon electrical energization, moving the connecting element between the coupling position of the shafts and the decoupling position causes a magnetic attraction of the armature. The claw engagement spring is disposed radially inward of the solenoid and axially between the yoke and armature. The claw engagement spring causes the axial movement of the connecting element in the coupling position. The magnetic yoke forms a magnetic field circuit with the magnet armature and the connecting element. By energizing the magnetic coil, the connecting element is moved to the decoupling position. For this axial movement, the magnetic force must be sufficiently large to overcome the force of the claw engaging spring, thereby bridging an air gap between the magnetic yoke and the armature.

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. From the DE 10 2013 205 174 A1 However, a similar connecting device is known in which a claw engagement spring, however, is disposed axially adjacent to a magnetic coil. A magnetic yoke and a magnet armature form a magnetic circuit without the participation of the connecting element. With a compact design and an effective magnetic field circuit, this construction produces a higher switching force compared to that of US Pat DE 10 2012 210 287 A1 known connection device.

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. Against this background, the invention has the object to provide an electromagnetic clutch for the rotationally fixed connection of two relatively rotatable shafts, which provides a high switching power available, allows fast switching, has a compact design and is inexpensive to produce.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. The solution to this problem arises from the features of the independent claim, while advantageous embodiments and modifications of the invention are the dependent claims.

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. The invention is based on the finding that in an electromagnetic clutch for the rotationally fixed connection of two relatively rotatable shafts spring means can be used to a movable magnetic force of an electromagnet actuator in overcoming a switching path or a magnetic air gap for producing a positive connection between the support waves to be connected together. This allows the use of an electromagnet with a relatively small space requirement and a relatively low power consumption and a low cost of control means in the electromagnetic clutch.

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. Accordingly, the invention is based on an electromagnetic clutch for non-rotatable connection of two relatively rotatable shafts, with a connecting element and an electromagnet, wherein the electromagnet of a magnetic yoke, at least one magnet yoke fixedly received in the magnetic coil and adjacent to the magnetic yoke and the magnetic coil arranged movable magnet armature, wherein between the magnetic yoke and the armature, a variable air gap is formed, wherein the armature and the connecting element are coupled via a bearing such that they are axially movable together and rotatable relative to each other, wherein the connecting element in a first axial position a rotationally fixed connection between the two waves cancels and establishes the rotationally fixed connection in a second axial position, and in which the at least one magnetic coil is triggered by an electrical energization by means of a magnetic force movement of the armature causes movement of the connecting element between the first axial position and the second axial position.

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. To achieve the object, the invention also provides in this electromagnetic clutch, that between the magnet armature and the connecting element, a spring means is arranged, through which the coupling between the armature and the connecting element in the axial direction is elastic to one by interaction of the spring force and the magnetic force increased switching force for bridging the air gap in the magnetic field of the solenoid to provide the rotationally fixed connection between the two waves available.

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. Under a shaft is fundamentally understood a rotatable machine component, which can transmit a torque and / or rotational movements, such as a drive shaft, an output shaft, a wave wheel, a gear or the like.

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. The described arrangement of the components of the electromagnetic clutch, a powerful electromagnetically switchable connection device is provided. In particular, the invention provides an electromagnetically actuable dog clutch with a relatively high actuator force, which can reliably fulfill, for example, the switching function in a drive train for rapid connection and disconnection or switching between drive components or transmission components while driving, and yet with a compact design as well as inexpensive solenoid manages. A control of the electromagnetic actuator of the clutch is possible both with a 12V vehicle electrical system voltage and with a 24V vehicle electrical system voltage of a vehicle to the necessary switching force for engagement or disengagement of a connecting element, such as a shift claw, too produce. Thus, a DC-DC converter for a higher operating voltage of a connecting device can be omitted in a conventional 12V electrical system and thus costs and construction costs can be saved.

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. According to a development can be provided in this electromagnetic coupling according to the invention that the connecting element is a shift claw, are formed on the form-locking elements, which cooperate with other form-locking elements, which are formed on the shafts to be joined, so that depending on the axial position of the connecting element Formed between the shafts is made or dissolved, wherein when the shaft connection in an occurrence of an operating position of the shafts to each other in which the meshing of the interlocking elements is blocked, by means of the magnetic force of the electromagnet, the spring means is first axially compressed and tensioned, wherein the armature moved to the compression travel of the spring device in the direction of the solenoid, and as soon as after a relative rotation of the waves results in an operating position in which the meshing of the interlocking elements is possible, the Spring force of the spring device together with the magnetic force of the electromagnet causes the engagement of the connecting element.

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. The connecting element may be formed, for example, as a connecting sleeve with an axial internal toothing, which is in engagement with an external axial toothing of the associated first shaft. Accordingly moves to switch a rotationally fixed connection of a first shaft with a second shaft, the connecting element which is rotatably connected to the first shaft and axially movable with respect to energization of the solenoid by magnetic force, carried by the armature, axially on this shaft in the direction second wave. Assuming that frictional forces and inertial forces are negligible with respect to the spring force of the spring means, the spring is not or only slightly compressed in the joint axial movement of armature and connecting element. If, when the respective claws or toothings of connecting element and shaft to be connected meet, exactly tooth meets tooth gap, then these interlocking elements can slide axially into one another without resistance.

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. On the other hand, when the axial movement of the connecting element hits partially or completely on tooth, the axial movement of the connecting element is initially blocked. The magnetic force now causes the spring device is compressed. The magnet armature, in the compression of the spring means, the axial reduction of the spring length, further approach the magnetic coil and reduce the air gap, whereby the magnetic force increases, while the connecting element or the shift claw axially presses on the toothing of the shaft. The spring device acts as long as a mechanical energy storage until the tooth-on-tooth position is resolved upon rotation of the connecting element or the first shaft relative to the second shaft.

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. As soon as the relatively rotating shafts reach a tooth-on-gap position, the toothing spurs in. In the process of meshing now acts in addition to the magnetic force, the spring force in the direction of adjustment and facilitates the meshing. A resulting switching force is thus increased by the spring force. The operating point of the adjusting device in a force-stroke characteristic is shifted to higher forces. In addition, the meshing movement is accelerated by the higher force, so shortened in time. Since the spring device assists and ensures the engagement of the clutch, an electromagnet can be used in the dog clutch whose magnetic switching power due to a predetermined maximum size, a limited current in the vehicle electrical system and / or a relatively large air gap in the magnetic circuit taken alone actually borderline or rather insufficient, but now supported by the spring. After the meshing of the teeth of the components to be joined together, the armature travels to the stop on the magnetic yoke, so that the air gap in the magnetic field circuit is closed. With a zero air gap, the magnet generates its maximum force to make and maintain the full fit of the shafts.

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. According to a further embodiment of the invention it can be provided that the electromagnet is designed as a Doppelhubmagnet, in which two magnetic coils are accommodated in the magnetic yoke, between which the magnet armature is axially movable such that one of the two magnetic coils in an electric current caused by a magnetic force movement of the armature causes movement of the connecting element for producing a rotationally fixed connection between a first shaft and a second shaft, and the other of the two magnetic coils in their electrical energization by means of a triggered by a magnetic force movement of the armature movement of the connecting element for producing a rotationally fixed connection between the first shaft and a third shaft.

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. By this arrangement, a compact electromagnetic switching claw is realized with two coupling positions. Accordingly, the spring device can be effective on both sides, wherein in one the two axial directions a second shaft and in the axial opposite direction, a third shaft with the first shaft is rotatably connected.

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. Further, it is judged to be advantageous if it is provided that the elastic coupling between the armature and the connecting element is realized by means of a single-row or multi-row radial ball bearing, in which a bearing inner ring is firmly connected to the connecting element, and in which a bearing outer ring on the spring means the magnet armature is connected or operatively connected. By such a bearing, the connecting element can rotate with little friction against the rotationally fixed armature and at the same time the connecting element to be taken in the axial direction of the armature, between armature and connecting element a limited relative movement is possible, which is determined by a spring travel of the spring device.

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. In addition, it can be provided that the bearing outer ring in longitudinal section has a U-shaped profile with two radial legs, that between the two legs, the spring device is arranged, with axial ends of the spring device axially supported on mutually facing sides of the two legs, that the armature has an annular ridge which projects radially into the U-shaped profile of the bearing outer ring, and that the web of the magnet armature is in engagement with the spring means.

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. By this arrangement, a simple elastic axial coupling between the armature and the connecting element is achieved. The magnet armature can thus finger-like engage in the spring device via the annular web of the magnet armature and act on these with an axial force within the U-shaped profile of the bearing outer ring and compress there once the axial movement of the connecting element resistance by a tooth-on-tooth position or the like opposes. In addition, the axial movement of the armature is not hindered in the compression of the spring means and the associated axial relative movement between the magnet armature and the bearing outer ring or connecting element by a side boundary of the U-shaped profile of the bearing outer ring.

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. It can further be provided that the spring device comprises two compression springs or two each consisting of several distributed over the circumference arranged compression springs existing compression spring assemblies, and that this spring means is received in the U-shaped profile of the bearing outer ring, that in each case an axially outer end of a compression spring or a compression spring pack at an axially inner end face of a radial leg of the bearing outer ring and an axially inner end of the compression spring or the compression spring pack are supported on an axial end face of the annular web of the magnet armature.

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. Such a spring device with two compression springs or two compression spring assemblies is effective on both sides and therefore particularly suitable for an electromagnetic clutch with two opposing coupling positions. Accordingly, the magnet armature can engage axially in the middle between the two springs and, depending on the direction of adjustment, compress the respective spring when a variable resistor appears.

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. Alternatively, it can be provided that the spring device comprises a compression spring or a plurality of pressure springs distributed over the circumference arranged compression spring package, that the spring means is axially received between the two radial legs of the bearing outer ring, that in each case an axial end of the compression spring or the compression spring package is supported on an axially inner end side of a radial leg of the bearing outer ring, and that engages the annular web of the armature in the compression spring or the compression spring assembly. Such an arrangement is preferably suitable for couplings with only one coupling position.

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. According to a further embodiment of the invention can be provided that the spring device has a progressive spring characteristic whose course corresponds at least approximately to the course of a force-displacement characteristic of the electromagnet.

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. Electromagnetic actuators operated in a vehicle DC electrical system usually have a progressive force-displacement characteristic. Such a course consists approximately of two linear characteristic areas. At first, the magnetic force only weakly increases with a decreasing air gap up to a transitional region, in order then to change into a steep rise. Since the switching force of the electromagnet is to be increased by the spring force, in particular at that Stellwegposition at which the shift claw is brought into meshing engagement with the shaft to be connected, it is advantageous if the spring characteristic replicates this force-displacement curve, thus for meshing the Toothing a particularly high spring force is generated. Suitable springs with a so-called kinked spring characteristic, which exhibit such a progressive course, can be produced, for example, by narrowing winding pitches or tapering windings in the end regions of the spring. Such springs are already available in various designs on the market.

Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung eines Ausführungsbeispiels beigefügt. In dieser zeigt To further illustrate the invention, the description is accompanied by a drawing of an embodiment. In this shows

1 eine schematische Darstellung einer elektromagnetischen Kupplung mit einem Doppelhubmagneten mit einer Arbeitspunktverschiebung durch eine Federeinrichtung in einem Längsschnitt, und 1 a schematic representation of an electromagnetic clutch with a Doppelhubmagneten with an operating point shift by a spring device in a longitudinal section, and

2 ein Kraft-Weg-Diagramm einer elektromagnetischen Kupplung gemäß der Erfindung. 2 a force-displacement diagram of an electromagnetic clutch according to the invention.

Zur zeichnerischen Vereinfachung ist in 1 die spiegelsymmetrische untere Vorrichtungshälfte nicht dargestellt. For graphic simplification is in 1 the mirror-symmetrical lower device half not shown.

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. Accordingly, shows 1 an electromagnetic clutch for selectively or alternately rotationally fixed connection of a first shaft 1 with a second wave 2 or the first wave 1 with a third wave 3 , Recognizable is the second wave 2 formed as a hollow shaft, while the first shaft 1 and the third wave 3 Central shafts are, the latter being arranged coaxially and axially spaced from each other. The first wave 1 and the third wave 3 have axial external teeth 13 . 15 on while on the second wave 2 an axial internal toothing 14 is trained.

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. A first axial position of the electromagnetic clutch corresponds to a decoupling position, a second axial position corresponds to a coupling position of the first shaft 1 with the second wave 2 , a third axial position corresponds to a coupling position for coupling the first shaft 1 with the third wave 3 , The electromagnetic clutch has a solenoid designed as a double-stroke magnet 4 on, consisting of a stationary magnetic yoke 5 , two solenoids 6a . 6b and a magnet armature 7 consists. The two magnetic coils 6a . 6b are diametrically opposite in the magnetic yoke 5 added. Axial between the solenoids 6a . 6b is the magnet armature 7 arranged. The magnetic yoke 5 each forms when energized a coil 6a . 6b with this coil 6a . 6b and the anchor 7 a magnetic circuit which is interrupted by an air gap x, x '. The magnet armature 7 is arranged axially movable, so that the air gap x, x 'between the armature 7 and the coil 6a . 6b is changeable.

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. The magnet armature 7 is radially inward via a radial ball bearing 8th with a connecting element 9 coupled. This connecting element 9 is formed as a sleeve-shaped switching claw, which is coaxial with the first shaft 1 is arranged and guided by this. The connecting element 9 has on its inner circumference not shown, axially aligned internal toothing, which with an external axial toothing 19 the first wave 1 is in constant meshing engagement, so that the connecting element 9 on the first wave 1 is arranged longitudinally displaceable and rotationally fixed.

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. At the right end of the connecting element 9 is as already mentioned an external axial gearing 13 formed or a toothed ring rotatably with the connecting element 9 connected. For producing a rotationally fixed connection of the first shaft 1 with the second wave 2 can the gearing 13 by an axial displacement of the connecting element 9 towards the second wave 2 with the teeth 14 or a toothed ring of this shaft 2 be brought into interlocking engagement. For producing a rotationally fixed connection of the first shaft 1 with the third wave 3 can the internal toothing of the connecting element 9 by shifting in the axial opposite direction with the toothing 15 or a gear ring of the third wave 3 be brought into interlocking engagement.

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. The radial ball bearing 8th is as a double row ball bearing with a bearing inner ring 10 and a bearing outer ring 11 formed, between which non-designated rolling elements are arranged. The rolling elements roll in a known manner on the raceways of the two bearing rings 10 . 11 from. The bearing inner ring 10 is fixed to the connecting element 9 connected or integral with the connecting element 9 educated. The bearing outer ring 11 shows in longitudinal section a box-shaped, radially outwardly open U-profile with two radial legs 17 . 18 on. Between the two radial thighs 17 . 18 is a spring device 16 added. The spring device 16 includes two spring packs 16a . 16b which are arranged axially next to one another. Every spring package 16a . 16b consists in this embodiment of an arrangement of a plurality of helical compression springs, which are placed distributed over the circumference of the device. The arrangement of other types of springs is possible.

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. The magnet armature 7 has a ring land 12 on, which projects from the anchor body radially inward and in the U-profile of the bearing outer ring 11 protrudes. The ring bridge 12 engages axially between the two spring packs 16a . 16b in the spring device 16 one. The springs of the spring packages 16a . 16b are supported with their axially outer end on an end wall of a respective associated radial leg 17 . 18 and with its axially inner end on a respective associated end face of the radially inwardly projecting annular web 12 from.

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. By the spring device 16 is the magnet armature 7 over the Ringsteg 12 with the connecting element 9 elastically coupled in the axial direction. The coupled joint axial mobility of connecting element 9 and magnet armature 7 thus allows an axial relative movement of the spring travel of the spring device 16 is limited.

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. 2 shows an exemplary force-displacement diagram of an electromagnetic clutch with the features of the invention for the course of a circuit in a coupling position. Accordingly, the electromagnet 4 a progressive characteristic F_magnet on. The spring device 16 also has a progressive characteristic F_spring, which approximates the characteristic of the electromagnet 4 matches. Essentially, the two characteristic curves F_magnet, F_spring, viewed from large air gaps x to small air gaps x, transition from a first force range with a weak linear rise followed by a short transition range into a second force range with a strong linear rise.

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. In the Doppelhubmagnet according to 1 corresponds to the characteristic curve of both a circuit for producing a rotationally fixed connection of the first shaft 1 with the second wave 2 and a circuit for producing a rotationally fixed connection of the first shaft 1 with the third wave 3 , In the following, as an example, the production of a rotationally fixed connection of the first shaft 1 with the second wave 2 considered.

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. Initially, the clutch is in a first axial position corresponding to a decoupling position. The magnet armature 7 is axially centered between the two magnetic coils 6a . 6b , The air gap x between the first solenoid coil 6a and the armature 7 is as large as the air gap x 'between the second solenoid coil 6b and the armature 7 , The first solenoid 6a is now energized, so that a magnetic force is generated, the magnet armature 7 in the 1 attracts to the left. In 2 corresponds to the starting position of an unmarked position on the right edge of the diagram.

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. The magnet armature 7 moves by the force of attraction in the direction of the first solenoid 6a to close the air gap x. In this case, the sleeve-shaped connecting element 9 , which yes about the radial bearing 8th with the magnet armature 7 is coupled, from the armature 7 taken. The two waves 1 . 2 meanwhile turn relative to each other. As the connecting element 9 with the first wave 1 is in constant rotationally intermeshing engagement, it rotates upon rotation of the first shaft 1 accordingly with. The magnetic attraction F_magnet is initially low and increases only gradually with decreasing air gap x. The gear ring 13 , which with the connecting element 9 is firmly connected, moves during the axial movement of the teeth 14 the second wave 2 to and approaches this, until the two positive locking elements 13 . 14 collide on the front side and block the further movement initially, ie take a tooth-on-tooth position. This positioning position corresponds to a meshing position x_mesh in the force-displacement diagram. The magnetic stroke and the spring travel along the air gap x, the magnetic force characteristic F_magnet and the spring force characteristic F_spring are coordinated so that at the tooth-on-tooth position or Einspurposition x_mesh of the two positive locking elements 13 . 14 of connecting element 9 and second wave 2 at a small further reduction of the air gap x an effective force increases sharply. Due to the axial resistance of the tooth-on-tooth position, the magnetic force now causes the relevant spring package 16a axially compressed and thus tensioned. The clamping force increases sharply despite a relatively small axial compression travel due to the progressive spring characteristic F_spring.

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. The body of the magnet armature 7 moves around the compression path of the spring pack 16a continue towards the solenoid 6a and further reduces the air gap x, so that the magnetic force due to their progressive characteristic F_magnet increases accordingly strong. At the Einspurposition x_mesh created by the tensioned spring 16a a potential power increase F_inc. The operating point or switching point of the clutch is thus by means of the progressive spring 16a shifted to a higher shift force in a tooth-on-tooth position. As soon as a tooth-on-gap position results, the two positive locking elements feel 13 . 14 with the increased switching force and a resulting increased switching speed, so that the rotationally fixed connection between the first shaft 1 and the second wave 2 is switched.

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. To release the rotationally fixed connection, the energization of the solenoid 6a be reversed so that a repulsion movement of the armature 7 takes place in the direction of decoupling position. It is also possible to energize the second magnetic coil 6b perform to the armature 7 in the decoupling direction. It can also be provided not shown return springs.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: Erste Welle First wave
2 2: Zweite Welle Second wave
3 3: Dritte Welle Third wave
4 4: Elektromagnet electromagnet
5 5: Magnetjoch yoke
6a 6a: Erste Magnetspule First solenoid
6b 6b: Zweite Magnetspule Second solenoid
7 7: Magnetanker armature
8 8th: Lager, Radialkugellager Bearings, radial ball bearings
9 9: Verbindungselement, Schaltklaue Connecting element, switching claw
10 10: Lagerinnenring Bearing inner ring
11 11: Lageraußenring Bearing outer ring
12 12: Ringsteg am Magnetanker Ring bar on the magnet armature
13 13: Formschlusselement, Verzahnung, Verzahnungsring Positive locking element, toothing, toothed ring
14 14: Formschlusselement, Verzahnung, Verzahnungsring Positive locking element, toothing, toothed ring
15 15: Formschlusselement, Verzahnung, Verzahnungsring Positive locking element, toothing, toothed ring
16 16: Federeinrichtung spring means
16a 16a: Erste Feder der Federeinrichtung First spring of the spring device
16b 16b: Zweite Feder der Federeinrichtung Second spring of the spring device
17 17: Erster Schenkel des Lageraußenrings First leg of the bearing outer ring
18 18: Zweiter Schenkel des Lageraußenrings Second leg of the bearing outer ring
19 19: Axiale Außenverzahnung des Verbindungselements Axial external toothing of the connecting element
F F: Kraft force
F_inc F_inc: Kraftzuwachs strength gains
F_magnet F_magnet: Magnetkraft, Magnetkraftkennlinie Magnetic force, magnetic force characteristic
F_spring F_spring: Federkraft, Federkraftkennlinie Spring force, spring force characteristic
X, x’ X, x ': Luftspalt air gap
x_mesh x_mesh: Einspurposition Einspurposition

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012210287 A1 [0005, 0006]
DE 102013205174 A1 [0006]

Claims

Electromagnetic coupling for non-rotatable connection of two relatively rotatable shafts ( 1 . 2 . 3 ), with a connecting element ( 9 ) and an electromagnet ( 4 ), wherein the electromagnet ( 4 ) from a magnetic yoke ( 5 ), at least one in the magnetic yoke ( 5 ) stationary magnet coil ( 6a . 6b ) and one to the yoke ( 5 ) and the magnetic coil ( 6a . 6b ) arranged adjacent movable magnet armature ( 7 ), wherein between the magnetic yoke ( 5 ) and the magnet armature ( 7 ) a variable air gap (x, x ') is formed, wherein the magnet armature ( 7 ) and the connecting element ( 9 ) about a warehouse ( 8th ) are coupled together such that they are axially movable together and are rotatable relative to each other, wherein the connecting element ( 9 ) in a first axial position, a rotationally fixed connection between the two shafts ( 1 . 2 . 3 ) and in a second axial position produces the rotationally fixed connection, and wherein the at least one magnetic coil ( 6a . 6b ) at an electrical energization by means of a triggered by a magnetic force movement of the armature ( 7 ) a movement of the connecting element ( 9 ) Effected between said first axial and said second axial position, characterized in that between the armature ( 7 ) and the connecting element ( 9 ) a spring device ( 16 . 16a . 16b ) is arranged, through which the coupling between the armature ( 7 ) and the connecting element ( 9 ) is elastic in the axial direction to a by switching the spring force (F_spring) and the magnetic force (F_magnet) increased switching force for bridging the air gap (x, x ') in the magnetic field of the electromagnet ( 4 ) for producing the rotationally fixed connection between the two shafts ( 1 . 2 . 3 ) to provide.

Electromagnetic coupling according to claim 1, characterized in that the connecting element ( 9 ) is a switching claw, on the positive-locking elements ( 13 ) are formed, which with other form-locking elements ( 14 . 15 ) which act on the shafts ( 1 . 2 . 3 ) are formed, so that depending on the axial position of the connecting element ( 9 ) a form fit between the waves ( 1 . 2 . 3 ) is produced or dissolved, wherein when establishing the shaft connection when an operating position of the shafts ( 1 . 2 . 3 ) to each other in which the meshing of the positive-locking elements ( 13 . 14 . 15 ) is blocked by means of the magnetic force (F_magnet) of the electromagnet ( 4 ) the spring device ( 16 . 16a . 16b ) is first axially compressed and tensioned, wherein the magnet armature ( 7 ) about the compression travel of the spring device ( 16 . 16a . 16b ) in the direction of the solenoid ( 6a . 6b ) and when, after a relative rotation of the shafts ( 1 . 2 . 3 ) results in an operating position in which the meshing of the positive-locking elements ( 13 . 14 . 15 ) is possible, the spring force (F_spring) of the spring device ( 16 . 16a . 16b ) together with the magnetic force (F_magnet) of the electromagnet ( 4 ) the engagement of the connecting element ( 9 ) causes.

Electromagnetic coupling according to claim 1 or 2, characterized in that the electromagnet ( 4 ) is formed as a Doppelhubmagnet, in which in the magnetic yoke ( 5 ) two opposing magnetic coils ( 6a . 6b ), between which the magnet armature ( 7 ) is axially movable such that one of the two magnetic coils ( 6a . 6b ) at an electrical energization by means of a triggered by a magnetic force movement of the armature ( 7 ) a movement of the connecting element ( 9 ) for producing a rotationally fixed connection between a first and a second shaft ( 1 . 2 ) and the other of the two magnetic coils ( 6a . 6b ) at an electrical energization by means of a triggered by a magnetic force movement of the armature ( 7 ) a movement of the connecting element ( 9 ) for producing a rotationally fixed connection between the first and a third shaft ( 1 . 3 ) causes.

Electromagnetic coupling according to one of claims 1 to 3, characterized in that the elastic coupling between the armature ( 7 ) and the connecting element ( 9 ) by means of a single-row or multi-row radial ball bearing ( 8th ) is realized, in which a bearing inner ring ( 10 ) with the connecting element ( 9 ), and in which a bearing outer ring ( 11 ) via the spring device ( 16 . 16a . 16b ) with the magnet armature ( 7 ) is connected or operatively connected.

Electromagnetic coupling according to claim 4, characterized in that the bearing outer ring ( 11 ) in longitudinal section a U-shaped profile with two radial legs ( 17 . 18 ), that between the thighs ( 17 . 18 ) the spring device ( 16 . 16a . 16b ), wherein axial ends of the spring device ( 16 . 16a . 16b ) on mutually facing sides of the two legs ( 17 . 18 ) axially bear that the armature ( 7 ) an annular web ( 12 ) which radially into the U-shaped profile of the bearing outer ring ( 11 ) and that the bridge ( 12 ) of the magnet armature ( 7 ) with the spring device ( 16 . 16a . 16b ) is engaged.

Electromagnetic coupling according to claim 4 or 5, characterized in that the spring device ( 16 ) two compression springs or two each consisting of a plurality of circumferentially spaced compression springs existing compression spring assemblies ( 16a . 16b ), and that the spring device ( 16 ) so in the U-shaped profile of the bearing outer ring ( 11 ) is received, that in each case an axially outer end of a compression spring or a compression spring package ( 16a . 16b ) on an axially inner end face of a radial leg ( 17 . 18 ) of the bearing outer ring ( 11 ) and an axially inner end of the compression spring or the compression spring package ( 16a . 16b ) on an axial end face of the annular web ( 12 ) of the magnet armature ( 7 ).

Electromagnetic coupling according to claim 4 or 5, characterized in that the spring device ( 16 ) a compression spring or a plurality of distributed over the circumference arranged compression springs existing compression spring package comprises that the spring means ( 16 ) axially between the two radial legs ( 17 . 18 ) of the bearing outer ring ( 11 ) is received, that in each case an axial end of the compression spring or of the compression spring package at an axially inner end face of a radial leg ( 17 . 18 ) of the bearing outer ring ( 11 ) and that the bridge ( 12 ) of the magnet armature ( 7 ) engages in the compression spring or the compression spring package.

Electromagnetic coupling according to one of claims 1 to 7, characterized in that the spring device ( 16 . 16a . 16b ) has a progressive spring characteristic (F_spring) whose course corresponds at least approximately to the course of a force-displacement characteristic of the electromagnet (F_magnet).