VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG EINER REIB- UND/ODER FORMSCHLUSSVERBINDUNG ZWISCHEN ZWEI RELATIV ZUEINANDER ROTIERBAR ODER LINEARBEWEGLICH ANGEORDNETEN KOMPONENTEN

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer Reib- und/oder Formschlussverbindung zwischen zwei relativ zueinander rotierbar oder linearbeweglich angeordneten Komponenten zu Zwecken einer Übertragung von linear und/oder rotatorisch zwischen beiden Komponenten wirkenden Kräften und/oder Kraftmomenten, von denen die erste Komponente die zweite Komponente zumindest abschnittsweise mit wenigstens einer der zweiten Komponente zugewandten Innenwand umgibt und die zweite Komponente wenigstens ein Wirkflächenelement vorsieht, das kraftbeaufschlagt aus einer ersten Position, in der das Wirkflächenelement von der Innenwand beabstandet ist, in eine zweite Position überführbar ist, in der das Wirkflächenelement mit der Innenwand die Reib- und/oder Formschlussverbindung eingeht. Eine derartige Vorrichtung findet vorzugsweise Verwendung als Bremse oder Kupplung.

In Ergänzung wird auch eine zur vorstehenden Vorrichtung vergleichbare alternative Vorrichtung beschrieben, bei der zwei unabhängig um eine gemeinsame Drehachse rotierbar gelagerte Komponenten vorgesehen sind, die zu Zwecken der Übertragung von rotatorisch zwischen beiden Komponenten wirkenden Kräften und/oder Kraftmomenten in Wirkverbindung gebracht werden, wobei die erste Komponente wenigstens eine Wirkfläche vorsieht, die gegenüber der Drehachse geneigt ist oder die Drehachse orthogonal schneidet und die zweite Komponente wenigstens eine Wirkfläche derart vorsieht, dass durch axiale Auslenkung wenigstens einer der beiden Wirkflächen ein Flächenkontakt zwischen den beiden Wirkflächen herstellbar ist, der zu einer Reib- und/oder Formschlussverbindung zwischen beiden Komponenten führt. Eine derartige Vorrichtung findet Anwendung als Kupplungselement, durch das beide Komponenten aus einem Zustand unabhängiger Rotation in einen Synchronlauf überführt werden können.

Stand der Technik

Vorrichtungen der vorstehend genannten Gattung dienen vornehmlich der kontrollierten Kraftübertragung zwischen zwei, zumeist längs einer gemeinsamen Drehachse relativ zueinander rotierbar gelagerten Komponenten, von denen eine Komponente mit einem Antrieb und die andere mit einem Abtrieb verbunden sind. Die im Wege einer Reib- und/oder Formschlussverbindung miteinander in Wirkverbindung tretenden Komponenten vermögen je nach technischem Einsatzzweck entweder eine Bremswirkung von einer als Abtrieb wirkenden Komponenten auf die andere als Antrieb dienende Komponente zu entfalten, oder im Falle der Ausbildung als Kupplung gilt es, die um eine gemeinsame Drehachse jeweils unabhängig voneinander rotierenden Komponenten in einen entsprechenden Synchronlauf überzuführen.

Als klassisches Beispiel für die Ausbildung einer Bremse sei auf die konventionelle Trommelbremse verwiesen, bei der zwei um jeweils eine Schwenkachse drehbeweglich an einem festen Gegenlager sichelförmig ausgebildete Bremsbacken vorgesehen sind, deren radial außen liegende Sichelkontur jeweils durch eine Kreisform einbeschreibbar sind und die durch aktorische Auslenkung um die jeweils vorgesehenen Schwenkachse sich gegenseitig abstützend, radial nach außen geschwenkt werden und an die Innenseite eines trommelförmig ausgebildeten Gehäuses pressen, das beispielsweise drehfest mit einem Rad verbunden ist, das es abzubremsen gilt. Als Aktor dient zumeist ein Hydraulikzylinder, durch dessen Betätigung sichelförmig ausgebildeten Bremsbacken radial nach außen gespreizt werden. Nach Beendigung der Betätigung der Bremszylinder werden die Bremsbacken mittels einer Rückstellfeder radial nach innen, d.h. in einen vom Trommelgehäuse beabstandeten Zustand, zurückgeführt.

Zur Auslösung des Bremsvorganges bedarf es ist in aller Regel der Betätigung eines Geberzylinders, das durch entsprechende hydraulische Kraftübersetzung die in der Trommelbremse vorgesehenen Bremsbacken gegen die jeweilige Innenseite des Trommelgehäuses kraftbeaufschlagt zu spreizen vermag.

In vielen technischen Anwendungsbereichen ist es wünschenswert, bestimmte mechanische Kuppel- oder Bremsvorgänge in Abhängigkeit beispielsweise der Temperatur und/oder von anderweitigen, externen Energiezuständen kontrolliert durchzuführen. Zur Aktivierung derartiger Brems- oder Kuppelvorgänge ist zumeist die Zufuhr äußerer Energie, beispielsweise in Form mechanischer Energie, wie vorstehend beschrieben, beispielsweise durch Betätigung eines Schalt- oder Bremshebels, oder durch Zufuhr elektrischer Energie, beispielsweise durch elektrische Erregung einer Spule, erforderlich, was letztlich zu einer erhöhten Komplexität der Brems- oder Kuppelvorrichtung führt.

Aus der US 4,550,695 ist eine Lüfteranordnung entnehmbar, deren motorisch angetriebenes Lüfterrad durch eine Federbremse in einer abgebremsten Stellung verharrt. Die Federbremse ist einseitig fest mit einem stationären Gehäuse verbunden und drückt andererseits über ein federkraftbeaufschlagtes Bremselement an eine drehfest mit dem Lüfterrad verbundene Bremsscheibe. Solange eine bestimmte Grenztemperatur nicht überschritten wird, wird das Lüfterrad durch innigen Kontakt zwischen Bremselement und Bremsscheibe abgebremst. Bei Überschreitung einer bestimmten Grenztemperatur sinkt die Federkraft, wodurch das Bremselement in eine gegenüber der Bremsscheibe beabstandete Position überführt und das Lüfterrad zur freien Rotation freigegeben wird. Das mit dem Bremselement in Wirkverbindung stehende Federelement besteht aus einer Formgedächtnislegierung, die bei niedrigen Temperaturen einen elongierten Zustand und bei Temperaturen oberhalb einer bestimmten Grenztemperatur einen verkürzten Zustand einnimmt. Die in der vorstehend beschriebenen Druckschrift beschriebene Bremsvorrichtung wird somit autonom durch die Umgebungstemperatur aktiviert.

Aus der JP 62147130 A ist eine Überlastkupplung zu entnehmen, die in Art einer Trommelbremse aufgebaut ist und innerhalb eines Trommelgehäuses innenliegende, Bremsbackenkörper vorsieht, die einer durch Rotation verursachten Zentrifugalkraft unterliegen und hierdurch radial gegen die Innenwand des Trommelgehäuses getrieben werden. Die Bremsbacken stehen überdies in Wirkverbindung mit einer aus Formgedächtnislegierung bestehenden Feder, die im Falle einer durch erhöhte Bremsreibung verursachte thermische Überhitzung einer Verkürzung unteriegt, wodurch die Bremsbackenkörper durch die Feder radial nach innen gezogen werden und die Bremswirkung nachlässt, wodurch letztlich eine thermische Überhitzung der als Kupplung wirkenden Vorrichtung vermieden wird.

In der JP 61099724 A ist eine zwischen einem An- und Abtrieb vorgesehenen Kupplung beschrieben, bei der eine Spiralfeder durch eine aus Formgedächtnismaterial bestehende Feder gedehnt sowie entspannt wird, wodurch eine An- sowie Abtriebswelle ein- bzw. ausgekuppelt wird. Um den Kupplungsvorgang vorzunehmen, wird die aus Formgedächtnismaterial bestehende Feder einem elektrischen Steuerstrom ausgesetzt.

Der japanischen Druckschrift JP 58211027 A ist ebenfalls ein die Bremskraft zwischen zwei rotierenden Körpern verstärkender Mechanismus zu entnehmen, der gleichsam dem eingangs zitierten Aufbau einer Trommelbremse zwei sichelförmig, jeweils an die Innenkontur des Trommelgehäuses angepasste Bremsbacken vorsieht, die um eine gemeinsame Drehachse radial nach außen gegen die Trommelgehäusewand schwenkbar sind. Die Auslenkung der Bremsbacken um die Drehachse erfolgt mit Hilfe eines extern betätigbaren Hydraulikzylinders, durch den die Bremsbacken in innigen Reibkontakt mit der Trommelgehäuse-Innenwand bringbar sind. Durch die relativ zu den Bremsbacken rotierende Trommel-Innenwand entsteht Reibungswärme, die ein mit den Bremsbacken gleichfalls verbundenes, aus Formgedächtnismetall bestehendes Wirkelement zu spreizen vermag, wodurch die Bremskraft zwischen den Bremsbacken und der Trommelgehäuse-Innenwand verstärkt wird.

Die DE 10 2004 027 375 A1 beschreibt eine elektrische Bremsvorrichtung, die in einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 zwei rotatorisch relativ zueinander angeordnete Komponenten aufweist, die gegenseitig mit Hilfe von Wirkelementen miteinander in Eingriff gebracht werden können. Hierbei ist wenigstens ein mechanisches Spannelement vorgesehen, das auf die Wirkflächenelemente eine Rückstellkraft entfaltet, wodurch die Wirkflächenelemente in einer ersten Position gehalten werden, in denen beide Komponenten zueinander rotierbar gelagert sind. Ein aus einem aktiven Polymer bestehender Aktor vermag nun bei entsprechender Versorgung mit elektrischem Strom die Wirkflächenelemente in die zweite Position überzuführen, in der beide rotierbar angeordneten Komponenten in gegenseitigen Bremskontakt geraten.

Ferner geht aus der GB 1 010 396 A eine Lüfterkupplung hervor, die eine Temperatur geregelte Bremswirkung entfaltet, indem eine aus Formgedächtnismetall bestehende Feder vorgesehen ist, die bei Überschreiten einer Übergangstemperatur eine Ausdehnung und damit verbunden eine Bremswirkung entgegen einer Federkraft auf eine Antriebswelle entfaltet.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Herstellung einer Reib- und/oder Formschlussverbindung zwischen zwei relativ zueinander rotierbar oder linearbeweglich angeordneten Komponenten der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzubilden, dass die Übertragung von rotatorisch oder linear beschleunigenden oder abbremsenden Kräften bzw. Kraftmomenten zwischen einer drehbar bzw. linear beweglich gelagerten Komponente relativ zu einer zweiten Komponente mit möglichst einfachen konstruktiven Maßnahmen erfolgen kann, wobei der Schalt- bzw. Kuppelvorgang, bei dem beide Komponenten miteinander in Eingriff bzw. in Wirkverbindung gebracht werden, selbsttätig, d.h. ohne Steuerung einer externen Energiezufuhr erfolgt. Die Aktivierung des Schalt- bzw. Kuppelvorganges soll vielmehr selbsttätig in Abhängigkeit eines ungesteuert bzw. ungeregelt sich einstellenden Energiezustandes, wie beispielsweise die Umgebungstemperatur, initiiert werden. Überdies soll es auch möglich sein, die Aktivierung in Abhängigkeit neben der thermischen Energie auch von weiteren Energieformen, wie beispielsweise magnetische oder elektrodynamische Energie, vorzunehmen.

Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in den Ansprüchen 1, 2, 3 und 4 beschrieben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche, aber insbesondere der Beschreibung unter Bezugnahme auf die einzelnen Ausführungsbeispiele entnehmbar.

Lösungsgemäß zeichnet sich eine Vorrichtung zur Herstellung einer Reib- und/oder Formschlussverbindung zwischen zwei relativ zueinander rotierbar oder linear beweglich angeordneten Komponenten zu Zwecken einer Übertragung von linear und/oder rotatorisch zwischen beiden Komponenten wirkenden Kräften und/oder Kraftmomenten, nach den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1 dadurch aus, dass die Kinematik als Kniehebel ausgebildet ist, der jeweils mit den anderen Wirkflächenelementenden verbunden ist und über den ein draht- oder bandförmiger Wandlerwerkstoff geführt ist, der mit den beiden anderen Wirkflächenelementenden verbunden ist und der bei Energieeintrag, vorzugsweise bei kontaktlosem Energieeintrag, eine Formänderung erfährt, wodurch der Kniehebel in eine gespreizte Stellung und die Wirkflächenelemente in die zweite Position überführbar sind.

Eine weitere Lösungsalternative sieht vor, dass im Bereich der jeweils anderen Wirkflächenelementenden jeweils ein stegartiger Fortsatz angebracht ist, der sich jeweils in Richtung des andern Wirkflächenelementes erstreckt, wobei sich beide Fortsätze vorzugsweise gegenseitig überlappen, und dass zwischen beiden Fortsätzen ein draht- oder bandförmiger Wandlerwerkstoff gespannt ist, der bei Energieeintrag, vorzugsweise bei kontaktlosem Energieeintrag, eine Formänderung erfährt, wodurch die Fortsätze und die damit verbundenen Wirkflächenelemente in entgegen gesetzte Raumrichtungen auslenkbar und die Wirkflächenelemente in die zweite Position überführbar sind.

Eine weitere Lösungsalternative sieht vor, dass die jeweils anderen Wirkflächenelementenden durch einen Spalt voneinander beabstandet sind, dass innerhalb des Spaltes eine von der Kreisform abweichende, um eine Drehachse drehbar gelagerte Auslenkkontur vorgesehen ist, an der beide Wirkflächenelementenden gegenüberliegend anliegen, dass an der Auslenkkontur ein Hebelarm angebracht ist, an dem einseitig ein mit der zweiten Komponente als Gegenlager verbundener draht- oder bandförmiger Wandlerwerkstoff angelenkt ist und an dem andererseits das mit der zweiten Komponente als Gegenlager verbundene Spannelement angelenkt ist, und dass bei Energieeintrag, vorzugsweise bei kontaktlosem Energieeintrag, der draht- oder bandförmige Wandlerwerkstoff eine Formänderung erfährt, wodurch die Auslenkkontur gedreht und der Abstand zwischen beiden Wirkflächenelementenden vergrößert wird, so dass die Wirkflächenelemente in die zweite Position überführbar sind.

Schließlich zeichnet sich lösungsgemäß eine Vorrichtung zur Herstellung einer Reib- und/oder Formschlussverbindung zwischen zwei relativ zueinander rotierbar oder linearbeweglich angeordneten Komponenten zu Zwecken einer Übertragung von linear und/oder rotatorisch zwischen beiden Komponenten wirkenden Kräften und/oder Kraftmomenten, dadurch aus, dass die erste Komponente eine schwalbenwanzartige Ausnehmung mit jeweils zwei schräg zueinander orientierten, sich gegenüberliegenden Seitenflanken aufweist, die der Innenwand der ersten Komponente entsprechen, und dass die zweite Komponente zwei translatorisch oder rotatorisch zwangsgeführte Wirkflächenelemente vorsieht, die in die Ausnehmung eingreifen und vermittels der den Wandlerwerkstoff aufweisenden Kinematik derart antreibbar sind, dass bei einer durch Energieeintrag, vorzugsweise durch kontaktlosem Energieeintrag, hervorgerufenen Formänderung des Wandlerwerkstoffes die Wirkflächenelemente jeweils in Eingriff mit einer Seitenflanke gelangen.

So ist die durch einen Wandlerwerkstoff angetriebene Kinematik, durch die ein Kuppel- oder Bremsvorgang zwischen beiden Komponenten initiierbar ist, sowie das wenigstens eine mechanische Spannelement, durch das beide Komponenten kinematisch voneinander entkoppelbar sind, direkt mit der zweiten Komponente verbunden bzw. Teil der zweiten Komponente, so dass, vorzugsweise durch Ausbildung der ersten Komponente in Form eines Trommelgehäuses, das wenigstens eine Spannelement sowie die Kinematik peripher vollständig von dem Trommelgehäuse umgeben werden können, wodurch eine vollständig gekapselte Einheit entsteht, ohne jegliche Verbindung nach außen. Je nach Werkstoffklassenwahl hinsichtlich des die Kinematik antreibenden Wandlerwerkstoffes ist Sorge dafür zu tragen, dass die den Wandlerwerkstoff aktivierende Energieform auch innerhalb des durch die erste Komponente gekapselten Raumes, innerhalb dem der Wandlerwerkstoff sowie das Spannelement enthalten sind, zu wirken vermag. Neben der grundsätzlichen Verwendbarkeit von Piezoelektrika, Elektrostriktiva sowie Magnetostriktiva als mögliche Wandlerwerkstoffe eignet sich insbesondere eine Formgedächtnislegierung (SMA), die bei einer Temperaturänderung eine vorgebbare Formänderung erfährt. Typischerweise erfahren draht- oder bandförmig ausgebildete Formgedächtnislegierungen bei Überschreiten einer von der jeweiligen Legierung abhängigen Schalttemperatur eine Längenverkürzung, die durch entsprechende Ausbildung der Kinematik ursächlich für die Auslenkung der Wirkflächenelemente in die vorstehend beschriebene zweite Position ist. Somit gilt es dafür Sorge zu tragen, dass der Wandlerwerkstoff thermisch an die Umgebungstemperatur gekoppelt ist. Entsprechende Vorkehrungen sind zu treffen, sollte der Wandlerwerkstoff beispielsweise aus einem magnetostriktiven Material bestehen, das durch Variation des den Wandlerwerkstoffes umgebenden Magnetfeldes eine Formänderung erfährt.

Je nachdem, ob beide Komponenten unabhängig voneinander längs einer gemeinsamen Drehachse rotationsfähig gelagert sind oder eine von beiden Komponenten räumlich stationär angeordnet ist, dient die lösungsgemäße Vorrichtung als Kupplung oder Bremse. In beiden Fällen wirken bei entsprechender Auslenkung des wenigstens einen Wirkflächenelementes gegen die Innenwand der ersten Komponente radial zur Drehachse orientierte Kräfte, durch die der Kupplungs- bzw. Bremsvorgang zwischen beiden Komponenten hervorgerufen wird.

Die lösungsgemäßen Vorrichtungen lassen sich, wie eingangs erwähnt, grundsätzlich je nach Ausführungsform als Bremse oder Kupplung zwischen zwei rotierenden Wellen einbringen, von denen eine beispielsweise einer Antriebswelle und die andere einer Abtriebswelle entspricht. So eignen sich die lösungsgemäßen Vorrichtungen in besonderer Weise zur kinematischen Ankopplung eines Lüfterpropellers an eine mit einer durch einen Elektromotor angetriebenen Welle. Ziel ist es, einen üblicherweise fest mit einer derartigen Welle verbundenen Lüfterpropeller, der aufgrund der festen Bindung zur Welle stets synchron mit der Wellendrehzahl dreht, derart zu betreiben, dass der Lüfterpropeller nur dann mit der Welle synchron mitdreht, wenn aufgrund der aktuellen Wärmeentwicklung ein durch den Lüfterpropeller hervorrufbarer Kühleffekt gewünscht ist. Ein derartiger Kühleffekt tritt bei üblichen Betriebszuständen lediglich bei extremen Umgebungstemperaturen sowie entsprechend extremer Belastung des Elektromotors ein, so dass der Lüfterpropeller, aus Gründen beispielsweise der Lärmminderung, die vorwiegende Zeit abgeschaltet werden kann. Die lösungsgemäße Kupplungsvorrichtung gestattet es, dass der beispielsweise mit der ersten Komponente fest verbundene Lüfterpropeller von der Antriebswelle, die mit der zweiten Komponente verbunden ist, nur bei Überschreiten einer den Wandlerwerkstoff initial verformenden Umgebungstemperatur mit angetrieben wird. Bleibt die Umgebungstemperatur unterhalb der entsprechenden Grenztemperatur, so werden keinerlei beschleunigende Kräfte von der Antriebswelle zwischen der zweiten und der ersten Komponente übertragen.

Auf Basis der vorstehend allgemein erläuterten Wirkprinzipien zur Ankopplung zweier relativ zueinander drehbar gelagerter Komponenten bzw. zweier linear zueinander beweglicher Komponenten, sind eine Reihe konkreter Ausführungsbeispiele denkbar, anhand derer das allgemeine Erfindungsprinzip näher erläutert werden soll.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

• Fig. 1 bis 4 alternative Ausführungsbeispiele für Kupplungs- oder Bremsvorrichtungen, die auf Basis radial zu einer Drehachse wirkenden Kräfte bzw. Kraftmomenten beruhen,
• Fig. 5 Brems- bzw. Kupplungsvorrichtung zwischen zwei linear zueinander beweglichen Komponenten, sowie
• Fig. 6a, b Prinzipdarstellung zur Erläuterung zweier Anwendungsfälle bezüglich Ab- und Antrieb.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit

In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für eine lösungsgemäße Vorrichtung gezeigt, mit der es möglich ist, rotatorische Kräfte bzw. Kraftmomente zwischen zwei um eine Drehachse D rotatorisch gelagerte Komponenten 1, 2 zu übertragen. Es sei angenommen, dass die zweite Komponente 2 drehfest an einer Antriebswelle 3 angebracht ist, wohingegen die erste Komponente 1 in Art eines hohlzylinderförmigen Bauelementes bzw. in Art eines Trommelgehäuses ausgebildet ist und mit einem nicht weiter dargestellten Abtrieb verbunden ist. Die zweite, mit der Welle 3 verbundene Komponente 2 weist eine scheibenförmig ausgebildete Trägerplatte 2' auf, auf deren dem Betrachter in Figur 1 zugewandte Oberseite zwei jeweils um einen Drehpunkt D1 und D2 schwenkbar gelagerte sichel- bzw. bogenförmig ausgeformte Wirkflächenelemente 4, 5 angelenkt sind. Die Wirkflächenelemente 4, 5 weisen jeweils eine zur Welle 3 radialseitig abgewandte Oberflächenkontur auf, die weitgehend passgenau an die Innenwand 1' der in Art eines hohlzylinderförmig ausgebildeten Trommelgehäuses ausgebildeten ersten Komponente 1 angepasst sind. Wenigstens in einem ausgewählten Bereich der der Trommelgehäuse-Innenwand 1' zugewandten Oberfläche des jeweiligen Wirkflächenelementes 4, 5 ist ein Reibbelag 6 vorgesehen, durch den erhöhte Reibkräfte zwischen den jeweiligen Wirkflächenelementen 4, 5 und der Innenwand 1' der als Trommelgehäuse ausgebildeten ersten Komponente 1 erzeugbar sind.

Die den Drehpunkten D1 und D2 gegenüberliegenden Enden der Wirkflächenelemente 4, 5 sind mit einem mechanischen Spannelement 7, das im Falle des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 als konventionelle Zugfeder ausgebildet ist, miteinander verbunden, so dass bei ansonsten kraftfreier Lagerung der Wirkflächenelemente 4, 5 das Spannelement 7 beide Wirkflächenelemente in der aus der in Fig. 1 ersichtlichen Weise zusammenhält, wodurch die der Innenwand der ersten Komponente 1 zugewandten Oberflächen der Wirkflächenelemente 4, 5 und insbesondere die Reibbeläge 6 von der Innenwand der ersten Komponente 1 radial beabstandet sind. Zusätzlich sind an beiden Wirkflächenelementen 4, 5 stegartige Fortsätze 8, 9 in der in Fig. 1 dargestellten Weise angebracht, die sich jeweils in Richtung des gegenüberliegenden Wirkflächenelementes erstrecken, wobei sich beide stegartigen Fortsätze 8, 9 gegenseitig zumindest abschnittsweise überlappen. Zwischen den beiden stegartig ausgebildeten Fortsätzen 8, 9 ist ein draht- oder bandförmig ausgebildeter Wandlerwerkstoff, vorzugsweise in Form eines SMA-Drahtes, d.h. ein aus einem Formgedächtnismaterial bzw. -legierung gefertigter Draht, gespannt, der bei Energieeintrag in Form von Wärmeeinwirkung eine Formänderung dahingehend erfährt, dass er sich bei erhöhter Temperatur in Längserstreckung zusammenzieht. Hierdurch wird eine zu der durch das Spannelement 7 vorherrschenden rückstellenden Kraft entgegengesetzt gerichtete, beide Wirkflächenelemente 4, 5 radial nach außen treibende Kraft generiert, wodurch die Reibbeläge 6 der Wirkflächenelemente 4, 5 in Reibschluss mit der Innenwand 1' der als Trommelgehäuse ausgebildeten ersten Komponente 1 gepresst werden. Je nachdem, ob die mit dem Abtrieb verbundene erste Komponente 1 gleichfalls um die Drehachse D rotieren kann oder feststeht, kann die durch die Antriebswelle 3 vorherrschende Drehbewegung über die zweite Komponente 2 auf die erste Komponente 1 übertragen oder entsprechend abgebremst werden. Fällt hingegen die Temperatur wieder unter einen bestimmten Temperaturwert, so entspannt sich der SMA-Draht und das als konventionelle Zug- bzw. Spiralfeder ausgebildete Spannelement 7 zieht die als Bremsbacken wirkenden Wirkflächenelemente 4, 5 wieder zusammen, so dass der Reibschluss gelöst wird. Die als Spannelement 7 wirkende Zug- bzw. Spiralfeder ist in ihrer Federhärte so auszulegen, dass sie einerseits auch bei höchsten auftretenden Drehzahlen, mit der die zweite Komponente um die Drehachse D rotiert, die Wirkflächenelemente 4, 5 gegen die an ihnen wirkenden Fliehkräfte zusammenhält, andererseits jedoch so steif ausgeführt ist, dass sie vom SMA-Draht 10 bei dessen Erwärmung und von der hierdurch generierten radial auf die Wirkflächenelemente 4, 5 nach außen gerichteten Kraft gedehnt werden kann.

Aus dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel kann entnommen werden, dass die für die Herstellung sowie auch für das Lösen eines zwischen der ersten und zweiten Komponente wirkenden Reibschlusses ausschließlich das mit den Wirkflächenelementen 4, 5 in Wirkverbindung stehende Spannelement 7 sowie der draht- oder bandförmig ausgebildete Wandlerwerkstoff 10 erforderlich sind. So bedarf es keiner weiteren, geregelten oder gesteuerten, von extern herrührenden Energiezufuhr, um die zwischen den beiden Komponenten 1, 2 wirksame Reib- und/oder Formschlussverbindung herzustellen bzw. zu lösen. Zur Herstellung bzw. zum Lösen der Reib- und/oder Formschlussverbindung wird lediglich jener Energiezustand genutzt, der es vermag, im Wandlerwerkstoff 10 eine entsprechende Formänderung hervorzurufen. Je nach Wahl des Wandlerwerkstoffes kann die Funktionsweise der lösungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung von einem extern vorherrschenden Energiefeld abhängen. Handelt es sich bei dem Wandlerwerkstoff, wie vorstehend beschrieben, um einen temperatursensiblen Werkstoff, wie beispielsweise eine Formgedächtnislegierung, so tritt in aller Regel ab einer bestimmten Grenztemperatur eine Formverkleinerung bzw. -verkürzung des Wandlerwerkstoffes auf, die bei Unterschreiten der Grenztemperatur durch eine äußere Kraft, bspw. Federkraft reversibel in die Ursprungsform zurückgeführt wird. Ebenso sind jedoch auch Wandlerwerkstoffe denkbar und einsetzbar, wie beispielsweise Magnetostriktiva, die eine Formveränderung durch eine Änderung der umgebenden Magnetfeldstärke erfahren. Weitere Wandlerwerkstoffe, wie beispielsweise Piezoelektrika oder Elektrostriktiva, vermögen Formveränderungen zu vollziehen, die durch Applikation einer elektrischen Spannung oder eines elektrostatischen Feldes initiierbar sind.

Anhand des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels kann aufgrund des autark wirkenden Schaltprinzips die Kompaktheit und insbesondere die mechanische Abgeschlossenheit des eine Bremswirkung hervorrufenden sowie auch eine Bremswirkung lösenden Systems ersehen werden. Im Falle der Ausbildung der ersten Komponente in Form eines Trommelgehäuses, das wenigstens über eine einseitig offen ausgebildete Trommelgehäuseseite verfügt, über die die mit der zweiten Komponente verbundenen Wirkflächenelemente 4, 5 eingebracht werden können, wodurch ein in sich abgeschlossenes, gekapseltes Brems- bzw. Kupplungselement gebildet werden kann, das zwischen einem An- und Abtriebsstrang implementierbar ist, können, sofern der An- und Abtrieb als Drehachsen ausgebildet sind, in Abhängigkeit eines extern vorherrschenden Energiefeldes rotatorisch wirkende Kräfte oder Kraftmomente zwischen beiden Komponenten übertragen werden.

Gleichfalls ist es möglich, Linearkräfte zwischen beiden Komponenten zu übertragen, sofern die erste Komponente relativ zur zweiten Komponente längs der in Fig.1 als Drehachse D bezeichnete Linearachse längs verschieblich gelagert ist. Dies wäre beispielsweise der Fall, wenn die erste Komponente 1 als längliches Hohlzylinderrohr ausgebildet ist, längs dem die zweite Komponente 2 im Inneren längsverschieblich gelagert wäre. Im Falle einer Verkürzung des Wandlerwerkstoffes 10 geraten die Reibbeläge 6 der Wirkflächenelemente 4, 5 in Reibschluss mit der Innenwand 1' der ersten Komponente 1, wodurch eine lineare Kraftübertragung zwischen beiden Komponenten erfolgen kann. Selbstverständlich ist es denkbar, im Falle einer bloßen linearen Kraftübertragung zwischen beiden Komponenten eine von der kreisrunden Querschnittsform abweichende, beispielsweise rechteckförmig oder n-eckig ausgebildete Innenkontur der Innenwand 1' der ersten Komponente zu wählen, gegenüber der entsprechend gegenkonturiert ausgebildete Wirkflächenelemente 4, 5, die an der zweiten Komponente 2 drehbar oder linearbeweglich zur Herstellung einer Reibschlussverbindung zwangsgeführt angebracht sind, auslenkbar sind.

Der in Fig. 1 dargestellte Reibbelag 6 dient vornehmlich zur Erhöhung der zwischen dem Reibbelag 6 und der Innenwand 1' der ersten Komponente generierbaren Reibkräfte, zur Herstellung einer Reibschlussverbindung. In vorteilhafter Weise kann sowohl die Innenwand 1' der ersten Komponente 1 als auch der mit dieser in Wirkverbindung tretenden Wirkfläche seitens des Wirkflächenelementes 4, 5 strukturiert bzw. gegenstrukturiert zur Innenwand 1' ausgebildet werden, um neben einem Reibschluss auch einen Formschluss herzustellen.

Basierend auf dem gleichen Wirkprinzip der in Fig. 1 dargestellten Kupplung bzw. Bremsvorrichtung zwischen einer An- und Abtriebswelle sind in den Fig. 2 bis 4 gleich wirkende Mechanismen dargestellt, die sich jeweils in ihrer Antriebskinematik unterscheiden. In Fig. 2 sind gleichsam zur Fig. 1 die Wirkflächenelemente 4, 5 jeweils getrennt voneinander drehbar um die Drehachsen D1 und D2 an der zweiten Komponente 2 zwangsgeführt angelenkt. Auch in diesem Fall sorgt eine konventionelle Zugfeder 7, die jeweils an den, den Drehachsen D1 und D2 gegenüberliegend vorgesehenen Enden der Wirkflächenelemente 4, 5 angebracht ist, für eine ausschließlich zwischen den Wirkflächenelementen 4, 5 radial nach innen gerichtete Rückstellkraft. Zur Spreizung der Wirkflächenelemente 4, 5 radial nach außen, gegen die Innenwand 1' der ersten Komponente 1 ist zusätzlich an den Anlenkungspunkten der Zugfeder 7 ein Kniehebelmechanismus 11 angebracht, der zwei über jeweils ein Drehgelenk 12 gegeneinander schwenkbare Hebel 13, 14 vorsieht. Am Drehgelenk 12 ist ferner eine kreisförmig ausgebildete Umlenkkulisse 15 vorgesehen, über die ein draht- oder bandförmig ausgebildeter, vorzugsweise aus SMA-Werkstoff bestehender Wandlerwerkstoff 10 geführt ist, der beidseitig mit den Anlenkungspunkten jeweils der Wirkflächenelemente 4, 5 fest verbunden ist. Aus dem konstruktiven Aufbau des Kniehebelmechanismus 11 in Verbindung mit dem drahtförmig ausgebildeten Wandlerwerkstoff 10 gemäß Ausführungsbeispiel in Fig. 2 kann ersehen werden, dass bei Erwärmung des SMA-Drahtes 10 eine diesbezügliche Verkürzung zu einer Spreizung des Kniehebels 11 führt, wodurch die Wirkflächenelemente 4, 5 radial nach außen gegen die Innenwand 1' der ersten Komponente 1 gepresst werden. Die Umlenkkulisse 15 ermöglicht die Verwendung eines möglichst langen SMA-Drahtes, wodurch eine Erhöhung der prozentual zur Länge des Wandlerwerkstoffes gemessene Längenänderung und somit letztlich eine Erhöhung der zwischen den Wirkflächenelementen 4, 5 wirkenden, radial nach außen gerichteten Kraft erreicht werden kann.

In Fig. 3 sind die gleichfalls zu den vorstehenden Ausführungsbeispielen mit der zweiten Komponente 2 verbundenen Wirkflächenelemente 4, 5 jeweils drehbar an den jeweiligen Drehachsen D1 und D2 rotatorisch zwangsgeführt angelenkt. Die gegenüberliegenden Enden der Wirkflächenelemente 4, 5 weisen jeweils durch eine Lücke voneinander beabstandete Stirnseiten 16, 17 auf, die mit einem ovalförmig ausgebildeten Nocken 18, der drehbar um eine Drehachse D3, die innerhalb des Zwischenraumes zwischen den Stirnseiten 16, 17 liegt, in gleitender Wirkverbindung treten. Der Nocken 18 ist mit einem Hebelarm 18' verbunden, an dem einseitig ein mit der zweiten Komponente 2 als Gegenlager verbundener draht- oder bandförmiger Wandlerwerkstoff 10 angelenkt ist. Andererseits ist der Hebel 18' mit einem mit der zweiten Komponente 2 verbundenes Spannelement 7, in Form einer konventionellen Zugfeder, verbunden, deren Federkraft so eingestellt ist, dass der Nocken 18 in einer Ausgangsstellung beide Stirnseiten 16, 17 symmetrisch zur Drehachse D3 beabstandet. Handelt es sich bei dem Wandlerwerkstoff 10 um ein SMA-Element, so verkürzt sich das SMA-Element bei Temperaturerhöhung, wodurch eine entgegen der Federwirkung gerichtete, durch das SMA-Element generierte Kraft den Hebelarm 18' auslenkt. Hierdurch drängt der Nocken 18 gemäß seiner Außenkontur beide Stirnseiten 16, 17 in entgegen gesetzte Richtungen, wodurch die Wirkflächenelemente 4, 5 durch Drehung um die Drehachsen D1 und D2 radial nach außen gelenkt werden und mit der Innenwand 1' der ersten Komponente, wie vorstehend beschrieben, eine Reibschlussverbindung eingehen. Sinkt die Temperatur ab, so kann der draht- oder bandförmig ausgebildete Wandlerwerkstoff 10 unter Einfluss einer mechanischen Spannkraft, z.B. Federkraft, wieder in die ursprüngliche Form überführt werden und nimmt die in Fig. 3 dargestellte Neutralstellung ein.

In Fig. 4 ist eine weitere Variante zur Herstellung einer Reib- oder Formschlussverbindung zwischen einer mit einer Antriebswelle 3 verbundenen zweiten Komponente 2 mit der Innenwand 1' einer ersten Komponente 1 gezeigt. Die zweite Komponente 2 weist gleichfalls wie in den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen eine drehfest mit der Antriebswelle 3 verbundene Trägerplatte 19 auf, an der jeweils über einen Drehpunkt 20 drehbar angelenkte, hebelartig ausgebildete Wirkflächenelemente 4' vorgesehen sind, die ihrerseits der Innenwand 1' der ersten Komponente 1 zugewandte Reibbeläge 6 vorsehen. Zur radialen Auslenkung der Reibbeläge 6 in Richtung der Innenwand 1' der ersten Komponente 1 sind jeweils die hebelartig ausgebildeten Wirkflächenelemente 4' in etwa mittig mit einem Stellhebel 21 verbunden, der andererseits mit einer zweiten Trägerscheibe 22 drehbar verbunden ist, die ihrerseits durch ein Lager 23 von der durch die Welle 3 vorgegebenen Rotation und damit von der Trägerscheibe 19 entkoppelt ist. Die Trägerscheibe 22 ist an zwei an ihrer Scheibenperipherie diametral gegenüberliegenden Anlenkungspunkten einerseits mit einer konventionellen Zugfeder 7 und andererseits mit einem draht- oder bandförmig ausgebildeten Wandlerwerkstoff 10 verbunden. Die Zugfeder sowie auch der Wandierwerkstoff 10 sind als Gegenlager an der Trägerscheibe 19 einseitig angelenkt. Durch das Lager 23 ist es möglich, die Trägerscheibe 22 relativ zur Trägerscheine 19 zu verdrehen. Im entkoppelten Fall zwischen der ersten und zweiten Komponente sind die durch den Wandlerwerkstoff 10 und die Zugfeder 7 an der Trägerplatte 22 angreifenden Kräfte derart balanciert eingestellt, so dass die Reibbeläge 6 von der Innenwand 1' der ersten Komponente 1 beabstandet sind. Wird hingegen eine bestimmte Grenztemperatur überschritten, so verkürzt sich der Wandlerwerkstoff 10, wodurch die Trägerscheibe 22 relativ zur Trägerscheibe 19 im dargestellten Ausführungsbeispiel in Fig. 4 entgegen des Uhrzeigersinnes verdreht wird. Diese Verdrehung führt zur Auslenkung des mit der Trägerscheibe 22 angelenkten Auslenkhebels 21, der letztlich das hebelstangenförmig ausgebildete Wirkflächenelement 4' mit dem daran angebrachten Reibbelag 6 gegen die Innenwand 1' der ersten Komponente 1 presst. Bei entsprechendem Unterschreiten der Umgebungstemperatur ist es möglich den Wandlerwerkstoff 10 unter Einfluss einer durch die Zugfeder 7 erzeugbaren Spannkraft zu längen, so dass eine entsprechende Rückdrehung der Trägerplatte 22 in die in Fig. 4 angegebene Ausgangsstellung erfolgen kann. Wie dem dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen ist, sind jeweils drei derartiger hebelartig auslenkbarer Wirkflächenelemente vorgesehen. Die Anzahl kann variieren und richtet sich nach Form und Größe der Scheiben- und Hebelanordnung.

Die bisher beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen vornehmlich zur Übertragung von Kräften oder Kraftmomenten zwischen zwei drehbar zueinander gelagerten Komponenten. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 dient hingegen der Übertragung von Kräften oder Kraftmomenten zwischen zwei linear zueinander beweglich gelagerten Komponenten. Hierzu sieht die erste Komponente 1, die beispielsweise als Abtrieb dient und vorzugsweise mit einem stillstehenden Teil verbunden ist, eine oberflächige, nutförmige Ausnehmung 38,vor, die im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 einen schwalbenschwanzförmigen Querschnitt mit jeweils zwei schräg zueinander orientierten, sich gegenüberliegenden Seitenflanken 39, 40 aufweist. Nicht notwendigerweise muss die Ausnehmung schwalbenschwanzförmig ausgebildet sein, so sollte wenigstens eine, die Ausnehmung 38 begrenzende Seitenflanke in Art einer Hinterschneidung ausgebildet sein, um, wie nachstehend beschrieben, eine entsprechende Klemmkraft zur zweiten Komponente 2 zu erzeugen.

Relativ zur ersten Komponente 1 linear beweglich angeordnet ist eine zweite Komponente 2 vorgesehen, die beispielsweise mit einem nicht weiter dargestellten Antrieb verbunden ist. Die zweite Komponente 2 ist hülsenartig ausgebildet und weist im Inneren zwei jeweils um eine Drehachse D schwenkbar angelenkte, hebelartig ausgebildete Wirkflächenelemente 4, 5 auf, die jeweils ein, die zweite Komponente 2 überragendes Wirkflächenelementende 4' und 5' vorsehen. Die die zweite Komponente 2 überragenden Wirkflächenelementenden 4' und 5' greifen in die Ausnehmung 38 ein und weisen den Wirkflächen 39, 40 gegenüberliegend angeordnete Wirkflächen 41, 42 auf, an denen jeweils ein Reibbelag 6 angebracht ist. Ebenfalls mit den Wirkflächenelementenden 4' und 5' verbunden ist eine konventionelle Zugfeder 7, die beide Wirkflächenelementenden 4' und 5' relativ zu den Drehachsen D zusammen zu ziehen vermag, wodurch die Wirkflächen 41, 42 mit den an ihr befindlichen Reibbelägen 6 von den ihnen gegenüberliegenden Seitenflanken 39, 40 beabstandet werden. An den den Wirkflächenelementenden 4' und 5' gegenüberliegend vorgesehenen Wirkflächenelementenden 4" und 5" ist ein aus SMA-Werkstoff gefertigter Wandlerwerkstoff 10 gespannt, der sich bei Temperaturerhöhung zusammenzuziehen vermag. Aufgrund der Hebelwirkung sowie Drehbarkeit der einzelnen Wirkflächenelemente 4, 5 um die entsprechenden Drehachsen D werden in diesem Fall die Wirkflächen 41, 42 mit den daran befestigten Reibbelägen 6 kraftbeaufschlagt gegen die Seitenflanken 39 und 40 gepresst, so dass die erste und zweite Komponente gegeneinander arretiert werden können.

Die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen jeweils eine erste und zweite Komponente auf, die jeweils entweder mit einem An- oder Abtrieb verbindbar sind. Aus den in Fig. 6a und b dargestellten Grafiken kann entnommen werden, dass die lösungsgemäße Vorrichtung flexibel einsetzbar ist. So geht aus Fig. 6a hervor, dass die zumeist als Trommelgehäuse ausgebildete erste Komponente 1 mit einem Abtrieb verbunden ist und drehbar relativ zu einer Antriebswelle 3 über ein entsprechendes Lager L geführt ist. Die zweite Komponente 2 ist als Trägerplatte ausgebildet und drehfest mit dem Wellenantrieb 3 verbunden. An die zweite Komponente angelenkt sind Wirkflächenelemente 4, 5, die radial zur Welle 3 gegen die Innenwand der trommelförmig ausgebildeten ersten Komponente auslenkbar sind und somit radial wirkende Kräfte bzw. Kraftmomente auf die erste Komponente übertragen.

Ebenso ist es möglich, die erste Komponente 1 gemäß Bilddarstellung in Fig. 6b mit dem Wellenantrieb 3 drehfest zu verbinden und die zweite Komponente 2 über ein Lager L von der Drehbewegung des Wellenantriebes 3 zu entkoppeln. Die zweite Komponente 2 ist in diesem Fall mit dem Abtrieb verbunden.

Durch die lösungsgemäße Vorrichtung, die je nach Einsatzzweck als Kupplung oder Bremse ausgeführt werden kann, erfordert zur Betätigung bzw. Schalten im Falle der Verwendung eines SMA-Wandlerwerkstoffes außer einer Wärmezuführung, die durch einen Prozess verursacht werden kann, beispielsweise durch Abwärme eines zu kühlenden Motors, keine weitere geregelte oder gesteuerte Energiezufuhr, beispielsweise in Form von mechanischer, elektrischer, hydraulischer oder pneumatischer Energie. Es ist somit möglich, insbesondere temperaturabhängige Schaltvorgänge an linear bewegten oder rotierenden Teilen in einfacher, kompakter, verschleiß- und wartungsarmer Weise durchzuführen, wobei bis auf die Wärme, die den Schaltvorgang auslöst, keine weitere Energie zugeführt werden muss. Der Schaltvorgang ist reversibel, d.h. er wird ohne äußere Energiezufuhr wieder rückgängig gemacht, sobald die Temperatur unter einen bestimmten Wert fällt.

Bezugszeichenliste

1

Erste Komponente

1'

Innenwand

2

Zweite Komponente

3

Welle, Wellenantrieb

4, 5

Wirkflächenelement

4', 5', 4", 5"

Wirkflächenelementende

6

Reibbelag

7

Spannelement in Form von Zug- oder Druckfeder

8, 9

Stegartiger Fortsatz

10

Wandlerwerkstoff

11

Kniehebel

12

Drehgelenk

13, 14

Hebel

15

Führungskulisse

16, 17

Stirnseite

18

Nocken

18'

Hebelarm

19

Erste Trägerscheibe

20

Drehpunkt

21

Verbindungshebel

22

Zweite Trägerscheibe

23

Lager

24, 24'

N.N.

25

N.N.

26

N.N.

27

N.N.

28

N.N.

29

N.N.

30

N.N.

31

N.N.

32

N.N.

33

N.N.

34

N.N.

35

N.N.

36

N.N.

37

N.N

38

Ausnehmung

39, 40

Seitenflanke

41, 42

Wirkfläche

D, D1, D2, D3

Drehachse

L

Lager