Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Formschlusskupplung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Eine gattungsgemäße Formschlusskupplung zum wechselnden Zu- und Abschalten einer Vorder- oder einer Hinterachse bei einem Allradantrieb eines Fahrzeugs geht bereits aus der DE 10 2013 205 174 A1 hervor. Die Formschlusskupplung ist dort als eine elektromagnetische normally-closed Klauenkupplung ausgeführt. Zur Aufhebung einer Drehmitnahme zwischen einer verzahnten Eingangs- und einer Ausgangswelle wird ein Elektromagnet bestromt, wodurch ein mit einem Magnetanker axial verlagerbares und gleichfalls verzahntes Verbindungselement der beiden Wellen entgegen der Wirkung einer Rückstell- bzw. Einrückfeder derart verlagert wird, dass ein bestehender Formschluss der beteiligten Verzahnungen und somit die gegenseitige Drehmitnahme der Wellen aufgehoben werden kann. Eine Rückverlagerung des Verbindungselementes zur Ermöglichung einer Drehmitnahme der Wellen erfolgt allein durch die Kraft der Einrückfeder.

Bei einer derartigen Formschlusskupplung besteht das Problem, das die elektromagnetische Betätigungseinrichtung im Wesentlichen unabhängig von einer eingeprägten Stromrichtung eine axiale Hubarbeit lediglich in einer der beiden Bewegungsrichtungen ausführen kann, so dass zur Ermöglichung einer Bewegung in der Gegenrichtung meistens ein als Federelement ausgebildetes Rückstellelement erforderlich ist. Das Federelement besitzt üblicherweise eine näherungsweise lineare Kraftkennlinie mit einer bezogen auf den Hubweg des Magnetankers positiven Federrate. Somit steigt die Kraft der Rückstellfeder vom Hubanfang bis zum Hubende kontinuierlich, zumeist linear, an. Die Kraftkennlinie des elektromagnetischen Linearaktors steigt damit einhergehend gleichfalls unter einer Verringerung des zwischen dem Elektromagneten und dem Magnetanker verbleibenden Luftspalts insbesondere ex- ponentiell an. Zur sicheren Aufrechterhaltung einer geschlossen-Stellung der erläuterten normally-closed-Kupplung wirkt die Rückstellfeder mit einer vorbestimmten Vorspannkraft auf das Verbindungselement. Zur Erzielung einer möglichst hohen Dynamik der Kupplung sollte diese Vorspannkraft gegenüber einer erzeugbaren Ak- torkraft möglichst klein sein. Bei geöffneter Kupplung ist der Luftspalt minimiert und es besteht in diesem statischen Zustand ein Kräftegleichgewicht zwischen der Magnetkraft und der Federkraft.

Zur Erhöhung der Effizienz der Formschlusskupplung wäre einerseits in dieser Stellung eine Verringerung der Federkraft wünschenswert, wobei gleichzeitig der Erregerstrom des Elektromagneten reduziert werden könnte. Andererseits ist jedoch beim Zurückgehen des Verbindungselements an der Einspur-Position der Verzahnungen von Verbindungselement und Ausgangswelle eine gegenüber der offen-Stellung vergleichsweise große Kraft erforderlich, um bei einer hohen Relativdrehzahl ein zügiges Einspuren des axial verlagerbaren Verbindungselements in eine Zahnlücke des Partners sowie ein Durchschalten der Kupplung auch gegen ein begrenztes Drehmoment zu ermöglichen und eine dabei gegebenenfalls vorliegende Zahn-auf-Zahn- Stellung der beteiligten Verzahnungen zu überwinden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Formschlusskupplung bereitzustellen, welche das vorstehend erläuterte Problem löst.

Diese Aufgabe wird durch eine Formschlusskupplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar.

Es wird demnach eine axial betätigbare Formschlusskupplung vorgeschlagen, welche eine Eingangswelle mit einer Eingangsverzahnung und eine Ausgangswelle mit einer Ausgangsverzahnung umfasst. Die Wellen sind koaxial zueinander mit einer gemeinsamen Drehachse angeordnet, das heißt, dass deren Achsen zusammenfallen. Die Formschlusskupplung umfasst weiter ein axial entlang der Achsrichtung zwischen einer geschlossen-Stellung und einer offen-Stellung der Kupplung verschiebbares Verbindungselement, welches eine Mitnahmeverzahnung zum Zusammenwirken mit der Eingangsverzahnung der Eingangswelle und mit der Ausgangsverzahnung der Ausgangswelle aufweist, wobei das Verbindungselement in der geschlos- sen-Stellung der Kupplung mit der Eingangswelle und der Ausgangswelle zusammenwirkt und eine gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle vorliegt und wobei in einer offen-Stellung der Kupplung die gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle aufgehoben ist. Das Verbindungselement kann eine in einem Betätigungsweg zwischen der offen-Stellung und der geschlos- sen-Stellung befindliche Einspur-Position einnehmen, in der die Mitnahmeverzahnung beim Übergang von der offen-Stellung in die geschlossen-Stellung erstmals in Eingriff mit der Eingangsverzahnung oder der Ausgangsverzahnung gelangt. Im Weiteren beinhaltet die Formschlusskupplung eine Betätigungseinrichtung, die mit dem Verbindungselement in Wirkverbindung steht und die zur Verschiebung des Verbindungselementes von der geschlossen-Stellung zur offen-Stellung ausgebildet ist. Ferner ist ein elastisches Rückstellelement vorgesehen, welches das Verbindungselement in Richtung der geschlossen-Stellung mit einer Rückstellkraft belastet.

Die vorstehend ausgebildete Formschlusskupplung zeichnet sich dadurch aus, dass das Rückstellelement eine Kraft-Weg-Kennlinie mit einem lokalen Kraftmaximum aufweist, wobei dieses Kraftmaximum am Betätigungsweg zumindest näherungsweise mit der Einspur-Position des Verbindungselementes zusammenfällt.

Durch das Vorsehen eines derartig ausgebildeten Rückstellelements wirkt in der offen-Stellung der Kupplung eine gegenüber der Einspur-Position verringerte Federkraft, so dass der Erregerstrom des Elektromagneten reduziert werden und die Effizienz der Formschlusskupplung somit erhöht werden kann. Beim Übergang in die geschlossen-Stellung unter Passieren der Einspur-Position liegt eine gegenüber der offen-Stellung vergleichsweise große Axialkraft am Verbindungselement an, um ein zügiges Einspuren der beteiligten Verzahnungen zu befördern.

Insbesondere kann mit weiterem Vorteil zur Lösung der eingangs gestellten Aufgabe die Kraft des Rückstellelementes in der offen-Stellung gegenüber der an der Einspur- Position wirkenden Kraft verringert sein. Mit noch weiterem Vorteil kann die Kraft des Rückstellelementes in der geschlossen-Stellung gegenüber der an der Einspur- Position wirkenden Kraft verringert sein. Insbesondere kann zusätzlich die Kraft des Rückstellelementes in der geschlossen-Stellung gegenüber der in der offen-Stellung wirkenden Kraft verringert sein. In günstiger Weise kann die Kraft-Weg-Kennlinie des Rückstellelementes zwischen der geschlossen-Stellung und der offen-Stellung lediglich ein lokales Kraftmaximum aufweisen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Rückstellelement als Tellerfeder mit der zuvor beschriebenen Kraft-Weg-Kennlinie ausgebildet sein. Tellerfedern sind in zahlreichen Ausführungen erhältlich, vergleichsweise kostengünstig, bauraumsparend und können durch Berechnungsprogramme gezielt mit einer gewünschten Federkennlinie ausgelegt und hergestellt werden. Eine solche Tellerfeder kann unter Einbringung einer gewünschten Vorspannung so in die Formschlusskupplung eingebaut werden, dass bei einer Betätigung des Aktors ein definierter ausgewählter Bereich von deren Kennlinie durchfahren wird. Im Weiteren kann die Tellerfeder einen umfangsmäßig geschlossenen Randbereich und nach radial innen oder radial außen ausgerichtete Federzungen aufweisen. Optional kann die Tellerfeder zur weiteren Bauraumersparnis gekröpft ausgeführt sein.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, die Betätigungseinrichtung zur elektromagnetischen Betätigung mit einem Elektromagneten und einen relativ zu diesem verlagerbaren Anker auszubilden, welcher mit dem Verbindungselement wirkverbunden ist oder dieses ausbildet.

Bevorzugt kann die Formschlusskupplung als Trennkupplung in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges zur Übertragung eines Fahrzeugantriebsmomentes ausgebildet sein und dort Verwendung finden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung einer elektromagnetisch betätigbaren Formschlusskupplung;

Fig. 2 eine Kraft-Weg-Kennlinie einer Tellerfeder;

Fig. 3 eine Tellerfeder mit nach radial innen weisenden Federzungen;

Fig. 4 eine Tellerfeder mit nach radial außen weisenden Federzungen. Fig. 1 zeigt eine in einem Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges angeordnete Formschlusskupplung 10, die als Trennkupplung funktional zwischen zwei hier zeichnerisch nicht dargestellten Antriebsaggregaten, insbesondere zwischen einem Verbrennungsmotor und einer elektrischen Maschine wirksam ist und über die im geschlossenen Zustand ein Antriebsmoment des Verbrennungsmotors in ein hier gleichfalls nicht dargestelltes Gangwechselgetriebe eingeleitet werden kann. Zum Starten des Verbrennungsmotors kann auch bei geschlossener Kupplung 10 ein Drehmoment von der elektrischen Maschine auf den Verbrennungsmotor übertragen werden. Die Formschlusskupplung 10 kann insbesondere bauraumsparend innerhalb der elektrischen Maschine angeordnet werden.

Die Formschlusskupplung 10 weist zunächst eine Eingangswelle 12 auf, an deren im Innenraum der Kupplung befindlichen Endbereich eine Zahnscheibe 14 mit einer äußeren Eingangsverzahnung 14a angeordnet ist. Koaxial zu der Eingangswelle 12 ist eine hier als Hohlwelle ausgeführte Ausgangswelle 16 gelagert, welche an dem der Eingangswelle 12 zugewandten Endbereich an einem die Eingangswelle 12 umschließenden axialen Vorsprung 16a eine Zahnscheibe 18 mit einer äußeren Ausgangsverzahnung 18a umfasst. Die Achsen A der Wellen fallen zusammen und bilden gleichzeitig auch eine Kupplungsachse A aus. Vorliegend sind die Wellen 12, 16 axial benachbart angeordnet. Alternativ oder ergänzend können die Wellen 12, 16 auch konzentrisch zueinander gelagert sein.

Die beiden Zahnscheiben 14, 18 sind jeweils mittels weiteren, an deren Innenumfang ausgebildeten Verzahnungen 14b, 18b jeweils drehfest und auch axial unverschiebbar auf den Wellen 12, 16 mittels dort ausgeführten Verzahnungen 12a, 16b festgelegt. Die Eingangsverzahnung 14a und die Ausgangsverzahnung 18a sind jeweils auf einem gemeinsamen Teilkreisdurchmesser der Zahnscheiben 14, 18 ausgeführt. Die Zahnscheiben sind axial durch einen Spalt 20 getrennt und können mit einem zu diesen radial außerhalb befindlichen und als Schaltmuffe ausgebildeten Verbindungselement 22 zusammenwirken. Dazu weist das Verbindungselement 22 eine innere Mitnahmeverzahnung 22a auf, welche korrespondierend zu der Eingangsverzahnung 14a der Eingangswelle 12 und zu der Ausgangsverzahnung 18a der Ausgangswelle 16 ausgebildet ist und mittels derer das Verbindungselement 22 axial entlang der Achsrichtung A zwischen einer geschlossen-Stellung und einer offen- Stellung der Kupplung 10 verschiebbar geführt ist.

In der geschlossen-Stellung der Kupplung, wie diese in Fig. 1 dargestellt ist befindet sich das Verbindungselement 22 über die Zahnscheiben 14, 18 somit mit der Eingangswelle 12 und mit der Ausgangswelle 16 im Eingriff, so dass dadurch eine gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle 12, 16 vorliegt. Zur Einnahme der offen-Stellung der Kupplung 10 kann das Verbindungselement 22 in der Fig. 1 nach links verlagert werden, wobei der Eingriff der Mitnahmeverzahnung 22a mit der Ausgangsverzahnung 18a aufgehoben wird und wodurch die gegenseitige Drehmitnahme von Eingangs- und Ausgangswelle 12, 16 aufgehoben wird.

Das Verbindungselement 22 ist zur Ausführung dieser Verschiebebewegung mit einem Radialflansch 22b in einem zentralen Aufnahmebereich eines axial verlagerbaren topfförmigen Magnetankers 24 festgelegt, welcher Bestandteil einer elektromagnetischen Betätigungseinrichtung 26, genauer eines monostabilen elektromagnetischen Aktors 26 ist. Der Magnetanker 24 ist zu diesem Zweck aus einem ferromag- netischen Werkstoff, zum Beispiel aus einem Stahlwerkstoff hergestellt. Der Magnetanker 24 kann durch das Magnetfeld eines axial benachbart zu diesem und gehäusefest angeordneten ringförmigen Elektromagnet 28 axial an diesen heranbewegt werden. Zur Ermöglichung einer Rückstellbewegung des Magnetankers 24 bei stromlosen Elektromagneten 28 ist zwischen dem Magnetanker 24 und einem an einem Gehäuseteil 30 gebildeten Abstützbereich 30a ein elastisches, als Tellerfeder vorliegendes Rückstellelement 32 mit einer im Weiteren noch zu erläuternden Federkennlinie (Fig. 2) eingesetzt. Das Rückstellelement 32 belastet somit das Verbindungselement 22 in Richtung der geschlossen-Stellung der Kupplung 10. Es ist somit ersichtlich, dass die Formschlusskupplung 10 vorliegend vom normal-geschlossen-Typ ausgeführt ist.

In den Fig. 3, 4 sind beispielhaft zwei Tellerfedern 32a, 32b zur Verwendung als Rückstellfeder in jeweils mehreren Ansichten dargestellt. Die Tellerfedern 32a, b weisen jeweils einen umfangsmäßig geschlossenen Randbereich 321 a, 321 b und von diesem abstehende Federzungen 322a, 322b auf, welche gemäß Fig. 3 nach radial innen oder nach Fig. 4 nach radial au ßen ausgerichtet sein können. Die Tellerfedern können weiterhin auch in axialer Richtung gekröpft ausgebildet sein.

Die als Rückstellelement 32 dienende Tellerfeder 32 ist vorliegend so ausgebildet, dass deren Kraft-Weg-Kennlinie ein lokales Kraftmaximum an der Position P1 aufweist, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt. Die dort dargestellte Federkennlinie weist somit einen über einen Verformungsbereich bzw. über den Weg s nichtlinearen Verlauf der zugehörigen Federkraft F auf.

Die Federkennlinie ist in Übereinklang mit der Funktion der in Fig. 1 dargestellten Formschlusskupplung 10 so dargestellt, dass der Weg s auf der Abszisse mit der Bewegungsrichtung des Magnetankers 26, also mit dessen Hubweg beim Bestromen des Elektromagneten 28 zusammenfällt. Die Federkennlinie weist demnach einen ersten Ast bzw. Abschnitt I mit einer positiven Federrate auf, in der eine ansteigende Verformung bzw. Kompression der Tellerfeder 32 entlang des Weges s von einer gleichfalls bis zu dem Maximum in P1 nichtlinear ansteigenden Kraft F begleitet wird und einen sich daran anschließenden zweiten Ast bzw. Abschnitt II mit einer negativen Federrate, an dem eine weitere Verformung bzw. Kompression der Tellerfeder 32 von einer absinkenden Kraft F begleitet wird.

Die Tellerfeder 32 ist in der in Fig. 1 gezeigten geschlossen-Stellung der Formschlusskupplung 10 bereits mit einer leichten Vorspannung zwischen deren Abstützbereich 30a und dem Magnetanker 26 eingesetzt. Diesem Zustand entspricht in der Federkennlinie der Punkt PO mit dem Weg S0=0 und der Kraft F0, welche aufgrund der erwähnten Vorspannung einen Betrag größer Null aufweist. Die Tellerfeder 32 ist au ßerdem so verbaut, dass sich das in s1 eingenommene Kraftmaximum F1 im Punkt P1 etwa an einer Position befindet, in der die Mitnahmeverzahnung 22a des Mitnahmeelements 22 beim Übergang von der offen-Stellung in die geschlossen- Stellung erstmals in Eingriff mit der Ausgangsverzahnung 18a der Ausgangswelle 16 gelangt. Das Kraftmaximum P1 der Tellerfeder 23 fällt somit am Betätigungsweg zumindest näherungsweise mit der Einspur-Position des Verbindungselementes 22 zusammen. Bei einer Bestromung des Elektromagneten 28 kann sich der Magnetanker 26 mit dem Verbindungselement 22 von PO ausgehend nach links verlagern, wobei das Kraftmaximum F1 in P1 passiert wird und wobei schließlich die offen-Stellung der Kupplung mit der Endlage P2 erreicht wird. Da hier die zugeordnete Kraft F2 gegenüber F1 reduziert ist, kann die wirkende Magnetkraft durch ein Absenken einer elektrischen Erregung des Elektromagneten 28 entsprechend erniedrigt werden. Es ist ferner erkennbar, dass die Kraft F2 deutlich größer ist als die Vorspannkraft FO. In diesem Zustand P2 ist die Drehmitnahme zwischen der Eingangs- und der Ausgangswelle 12, 16 aufgehoben.

Soll diese Drehmitnahme wieder hergestellt werden, so wird der Elektromagnet 28 stromlos geschalten, wodurch sich der Magnetanker 26 mit dem Verbindungselement 22 von P2 ausgehend unter der Wirkung der Rückstellfeder 32 wieder nach rechts bewegen kann. Dabei entspannt sich die Rückstellfeder 32 unter gleichzeitigem Kraftanstieg bis zum Maximalwert F1 in P1 . Durch den vorher erläuterten definierten Einbau der Tellerfeder 32 kann das Mitnahmeelement 22 eine maximale Kraft gegenüber der Zahnscheibe 18 entwickeln, so dass ein zügiges Einspuren bei Erreichen einer Zahn-Lücke-Stellung ermöglicht wird bzw. ein gegenseitiges Abweisen der beteiligten Verzahnungen 22a, 18a vergleichsweise zügig überdrückt werden und die Formschlusskupplung 10 relativ schnell geschlossen werden kann.

Bezuqszeichen 0 Formschlusskupplung

2 Eingangswelle

4 Zahnscheibe

14a Eingangsverzahnung

14b Verzahnung

16 Ausgangswelle

16a Vorsprung

16b Verzahnung

18 Zahnscheibe

18a Ausgangsverzahnung

18b Verzahnung

20 Spalt

22 Verbindungselement

22a Mitnahmeverzahnung

22b Radialflansch

24 Magnetanker

26 Betätigungseinrichtung

28 Elektromagnet

30 Gehäuseteil

30a Abstützbereich

32 Rückstellelement, Tellerfeder

32a, b Tellerfeder

321 a Randbereich

321 b Randbereich

322a Federzunge

322b Federzunge

A Achse

F Kraft

s Weg