Freilaufkupplung
Die Erfindung betrifft eine Freilaufkupplung zur Übertragung von Drehbewegungen. Freilaufkupplungen sind in verschiedenen Ausführungen bekannt. Eine erste Ausführung verwendet ein gezahntes Rad, in das eine federbelastete Klinke einrastet. Die Zähne und die Klinke sind so angeordnet, dass die Klinke in der einen Drehrichtung über die Zähne gleitet, während sie in der anderen Drehrichtung in eine Zahnlücke einrastet und eine Drehung verunmöglicht.
Der Nachteil einer solchen Klinkersperre besteht darin, dass sie nur in ganz bestimmten Stellungen, die der Zahnteilung entspricht, kuppeln kann, so dass eine Mitnahme in irgendeiner Lage von Klinke und Zahnrad nicht möglich ist.
Bei einer zweiten Gruppe von Freiläufen werden Kugeln, Rollen oder andere Körper als Mitnahmeelemente verwendet. Hierbei werden diese Mitnahmeelemeute als Klemmelemente zwischen Eingang und Ausgang verwendet. In der einen Drehrichtung werden die Mitnahmeelemente freigegeben und die Kupplung läuft frei, während in der anderen Drehrichtung die Mitnahmeelemente in eine Stellung gelangen, wo sie die Eingangsseite mit der Ausgangsseite kuppeln. In dieser Stellung werden die Mitnahmeelemente durch Kräfte, die beinahe in einem rechten Winkel zur Lastrichtung wirken, zusammengepresst, so dass die Übertragung der
Last praktisch durch Reibschluss erfolgt.
Da für solche Freiluftkupplungen die einzelnen Teile aus gehärtetem Stahl oder Stahllegierungen hergestellt werden und der
Reibungskoeffizient etwa 0,1 im Mittel beträgt, so müssen auf die Mitnahmeelemente wirkenden Klemm kräfte etwa zehnmal so gross die die Last sein. Die
Pressung der Teile aufeinander darf einen bestimmten
Grenzwert nicht überschreiten, der durch die sog.
Hertz'-schen Gleichungen ermittelt werden kann. Man sieht hieraus, dass die zu übertragende Last bei sol chen Kugel-, Rollen- und Klemmkörper-Freilaufkupp lungen beschränkt ist.
Man versucht zwar durch besondere Formgebung der Mimahmeelemente sowie der Gegenflächen den Winkel zwischen Lastrichtung und der Richtung der Klemmkräfte zu verkleinern, doch sind solchen Bestrebungen Grenzen gesetzt, da sonst der einwandfreie Übergang vom Freilaufbetrieb in den Kupplungsbetrieb erschwert wird. Um doch eine einigermassen genügend grosse Last übertragen zu können, werden sehr viele solcher Mitnahmeelemente bzw. Lastübertragungsstellen angeordnet. Dadurch wird der Nachteil der im wesentlichen auf dem Reibschluss basierenden Freilaufkupplungen etwas gemildert. Trotzdem sind solche Freilaufkupplungen auf Überlast empfindlich; sie unterliegen zudem einer laufenden Abnützung, weshalb sich die Eingriffsverhältnisse verändern können.
Der Vorteil dieser Kupplungen gegenüber der ersten Ausführung liegt darin, dass eine Kupplung zwischen Eingangs- und Ausgangsseite in jeder Relativlage möglich ist.
Die Freiluftkupplung gemäss der Erfindung weist denselben Vorteil der Kupplung in jeder beliebigen Relativstellung wie die Freilaufkupplungen der zweiten Gruppe auf, jedoch vermeidet sie deren Nachteile, indem die Lastübertragung im wesentlichen nicht durch Reibschluss, sondern durch Formschluss erfolgt.
Sie kennzeichnet sich dadurch, dass sie eine in einem Gehäuse gelagerte, aus mindestens zwei Getrieberädern bestehende, für eine Richtung des Kraftflusses selbsthemmende Getriebestufe aufweist, deren erste Welle und das Gehäuse wahlweise Krafteingang und Kraftausgang der Freilaufkupplung bilden und deren zweite Welle sich am Gehäuse abstützt, wobei die Getriebestufe bei Kupplungsbetrieb die Kraft formschlüssig überträgt, bei Freilaufbetrieb über ein Vorgelege antreibbar ist und zur Wahl des Kupplungs- oder Freilaufbetriebes Mittel zu relativen Bewegungsmöglichkei- ten aufweist, die je nach Drehrichtung wirksam sind.
Die Erfindung ist beispielsweise in der beiliegenden Zeichnung dargestellt. Es zeigt:
Fig. 1 eine Ansicht einer Freilaufkupplung mit teilweise entferntem Gehäuse,
Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1 und Fig. 3 die Mittelwelle mit der verstellbaren Kuppeleinrichtung.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine Getriebestufe, die in einer Kraftrichtung in beiden Drehrichtungen selbsthemmend und in der anderen Kraftrichtung ebenfalls in beiden Drehrichtungen drehbar ist, als Freilaufkupplung verwendet werden kann.
In den Fig. 1 und 2 ist als eine solche Getriebestufe ein selbsthemmender Schneckentrieb dargestellt. Treibt man bei diesem über das Schneckenrad an, so tritt Selbstsperrung ein, d. h., es ist nicht möglich, das Schneckenrad zu drehen.
Treibt man dagegen über die Schnecke an, so lässt sich das Schneckenrad mitdrehen und man hat damit die für den Freilaufbetrieb notwendige Betriebsweise.
Ist also beispielsweise der Schneckenbetrieb in einem Gehäuse angeordnet und wird die Schneckenradwelle als Eingang verwendet, so tritt in der einen Drehrichtung Selbsthemmung auf, da das Schneckenrad nicht drehen kann. Die Schneckenwelle stützt sich somit axial am Gehäuse ab und dreht bei entsprechender Lagerung das Gehäuse, das als Abtrieb verwendet werden kann. Dreht man die Schneckenradwelle entgegengesetzt, so würde ebenfalls Selbstsperrung eintreten und die Schneckenwelle sich am Gehäuse abstützen und dasselbe in entgegengesetzte Drehung versetzen.
Kuppelt man aber das Schneckenrad von der Welle los und überträgt ihre Bewegung über ein Vorgelege auf die Schneckenwelle und wählt man zudem die Überset- zung so gross, dass die Schnecke das Schneckenrad synchron zur Eingangswelle antreibt, so hat man offenbar einen Freilaufbetrieb, indem jetzt das Gehäuse stillsteht, trotzdem die Schneckenradwelle, von der allerdings das synchron mitlaufende Schneckenrad abgekuppelt ist, gedreht wird.
Man verwendet somit als Mitnahmeelement eine Getriebestufe, die bei Selbstsperrung stillsteht, während die Last über das Schneckenrad und die Schnecke auf das Gehäuse übertragen wird.
Hierbei bilden die Zähne des Schneckenrades mit den Gängen der Schnecke eine beinahe vollkommene formschlüssige Verbindung, je flacher die Steigung der Gänge der Schnecke ausgeführt werden. Durch diese formschlüssige Kraftübertragung erzielt man eine wesentlich geringere Pressung an den Kontaktstellen, als bei den mit Reibschluss arbeitenden Vorrichtungen.
Nachdem das Prinzip der Freilaufkupplung nach der Erfindung erläutert worden ist, soll anhand der Figuren eine Ausführung beschrieben werden, bei der unter Anwendung von Schneckentrieben als Mitnahmeelement zur Übertragung grösserer Kräfte eine Lastteilung vorgenommen wird.
In den Fig. ist mit 1 eine zentral in einem Gehäuse 2 mit Lagerungen 3 und 4 drehbar gelagerte Welle bezeichnet. Die Welle 1 trägt ein Innenzahnrad 5 sowie ein Schneckenrad 6.
Am Innenzahnrad 5 kämmen drei Ritzel 7, 8, 9, die auf Wellen 10a, lOb, 10c befestigt sind. Die Wellen lOa, 10b, 10c sind im Gehäuse 2 drehbar gelagert und tragen an ihrem anderen Ende je ein Kegelrad 12, 13, 14. Mit diesen Kegelrädern kämmen Kegelritzel 15, 16, 17, die auf den Schneckenwellen 18, 19, 20 befestigt sind. Innenzahnrad 5, Ritzel 7, 8, 9, Kegelrad 12, 13, 14 und Kegelritzel 15, 16, 17 bilden ein Vorgelege, mit dem die Schnecken 21, 22, 23 von der Welle 1 angetrieben werden kann. Die Schneckenwellen mit den Schnecken 21, 22, 23 sind ebenfalls im Gehäuse 2 drehbar gelagert, wobei die Lagerung auch zur Aufnahme axialer Kräfte und deren Überleitung an das Gehäuse eingerichtet sind.
Damit das Gehäuse 2 mit den darin gelagerten Zahnrädern als Freilauf oder als Kupplung verwendet werden kann, ist eine Vorrichtung am Innenzahnrad 8 und am Schneckenrad 6 vorgesehen. Zu diesem Zweck sind im Innenzahnrad bzw. im Schneckenrad Nuten 24 bzw. 25 angebracht. In diesen Nuten ist ein in der Welle 1 gelagerter Schiebekeil 26 angeordnet. An diesem ist ein Schaltring 27 befestigt, in die eine nicht dargestellte Schaltklaue eingeführt und damit der Keil 26 axial verschoben werden kann.
In Fig. 3 ist der Keil 26 mit der Welle 1 und den Rädern 5, 6 und dem Schaltring 27 dargestellt. Der Keil 26 liegt in einer Keilnute 28 der Welle 1 und weist eine Anzahl Ausnehmungen auf, von denen jeweils zwei Ausnehmungen 29, 30 bzw. 31, 32 mit dem Schneckenrad und dem Innenzahnrad zusammenwirken.
Die Freilaufkupplung funktioniert wie folgt:
Wird die Welle 1 in Pfeilrichtung 33 Fig.3 gedreht, so bewirkt die Aussparung 29, dass das Rad 5 zunächst nicht in Eingriff kommt.
Vielmehr wird das Schneckenrad 6 mitgenommen, da der Keil 26 dort keine Aussparung aufweist. Das Schneckenrad kann wegen der selbstsperrenden Ausführung des Schneckentriebes die Schnecken nicht drehen, so dass sich die Schneckenwellen axial auf das Gehäuse abstützen und dasselbe in Drehung versetzen.
Dies ist also der Kupplungsbetrieb der Freilaufkupplung. Dreht man nun die Welle in Richtung von Pfeil 34, so bewirkt die Aussparung 30, dass das Schnekkenrad 6 nicht sofort mitbewegt wird, dagegen aber das Innenzahnrad 5. Wenn nun die Übersetzung der Zahnräder 5, 7 und 12, 15 gleich der Übersetzung des Schneckentriebes ist, läuft das Schneckenrad 6 synchron mit der Welle 1, jedoch unbelastet mit. Das Gehäuse 2 steht hierbei still und man hat somit den Freilaufbetrieb, d. h. es findet kein Abtrieb über das Gehäuse 2 statt.
Verschiebt man mit Hilfe des Schaltringes 27 den Keil 26, sodass die Ausnehmungen 31, 32 im Eingriff mit den Rädern 5 und 6 stehen, so hat man bei Drehen der Welle 1 in Pfeilrichtung 33 Freilaufbetrieb und bei Drehen in Pfeilrichtung 34 Kupplungsbetrieb, also genau entgegengesetzt, wie bei Eingriff der Ausnehmungen 29, 30.
Die Ausnehmungen 29 bis 32 im Keil 26 bewirken damit, dass je nach Drehrichtung das eine der Räder 5, 6 mitgenommen und das andere frei läuft.
Die Welle 1 weist von einer Mittellage des Keiles 26 bis zur Mitnahme des einen oder des anderen Rades eine relative Bewegungsmöglichkeit auf. Es ist dies somit der Drehweg, den die Welle 1 von seiner Mittellage bis zum Anschlag an das betreffende Rad zurücklegt. Der gesamte Weg der Welle 1 ist demnach von dem einen Anschlag in der einen Drehrichtung zum anderen Anschlag in der anderen Drehrichtung das Doppelte dieses Drehweges. Jedes der Räder 5 und 6 ist also mit einem Spiel auf der Welle 1 mitnehmbar befestigt.
Wird der Schiebekeil 26 so ausgebildet, dass beim Schneckenrad keine, beim Innenzahnrad in beiden Richtungen ein Spiel, z. B. zwei gegenüberliegende Aussparungen vorhanden sind, hat man in beiden Drehrichtungen Kupplungsbetrieb. Man kann aber den Schiebekeil auch so ausbilden, dass das Schneckenrad in beiden Drehrichtungen ein Spiel im Schiebekeil aufweist, so dass man in beiden Drehrichtungen Freilaufbetrieb hat. Damit das Gehäuse 2 auf der Welle 1 gelagert werden kann, ohne den Schiebekeil 26 zu behindern, weist die Welle 1 eine Verdickung 35 mit einer Aussparung 36 für den Keil 26 auf.
Die relativen Bewegungsmöglichkeiten können auch in anderer Weise hergestellt werden. Wird beispielsweise das Schneckenrad 6 fest mit der Welle 1 gekuppelt, so dass es gegenüber derselben keinen Drehweg ausführen kann, so kann die relative Bewegungsmöglichkeit in Form von Zahnspiel zwischen Schneckenrad und Schnecke angeordnet werden. In der einen Drehrichtung wird das Rad 5 wegen der Ausnehmung 29 freigegeben und die Zähne des Schneckenrades können sich an die Gänge der Schnecke anlegen (Kupplungsbetrieb). In der anderen Drehrichtung wird das Rad 5 mitgenommen und treibt über das Vorgelege die Schnecke an. Wegen der relativen Bewegungsmöglichkeit des Rades 5 haben sich die Zähne des Schneckenrades von den Schneckengängen etwas entfernt und das Schneckenrad läuft vollständig frei, d. h. ohne an der Schnecke zu berühren, mit, da es ja an der Welle 1 fest gekuppelt ist.
Man vermeidet durch diese Weise eine Abnützung der Schnecke und des Schneckenrades bei Freilaufbetrieb. Schnecke und Schneckenrad können in diesem Fall aus einem für den Kupplungsbetrieb geeigneten Material hergestellt werden, ohne dass man auf dessen Gleiteigenschaften Rücksicht zu nehmen hat.
Das Mass dieser relativen Bewegungsmöglichkeit kann sehr gering gehalten werden. Bruchteile eines Millimeters genügen bereits, um einen einwandfreien Kupplungs- bzw. Freilaufbetrieb zu gewährleisten.
Die Mittel zu relativen Bewegungsmöglichkeiten können auch in Form nachgiebiger Teile in der Getriebestufe und im Vorgelege ausgebildet sein. In diesem Fall können beide Räder 5 und 6 fest auf der Welle aufgekeilt sein.
Als Eingangsseite kann auch das Gehäuse 2 gewählt werden. Die Freiluftkupplung funktioniert auch in diesem Falle in der einen Drehrichtung als Kupplung und in der anderen als Freilauf.
Die Vorteile der beschriebenen Freilaufkupplung liegen darin, dass die Last praktisch formschlüssig und unempfindlich auf Abnützung übertragen wird.
Dadurch können grössere Lasten übertragen werden, insbesondere, wenn man noch die Lasten auf mehrere Getriebestufen verteilt. Selbstverständlich müssen hier Massnahmen vorgesehen werden, durch die die Last gleichmässig verteilt wird.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Freilaufkupplungen gemäss der Erfindung besteht bei stufenlos regelbaren mechanischen Getrieben, bei denen beispielsweise die Welle die Abtriebswelle des mechanischen Getriebes darstellt, auf der mehrere Freilaufkupplungen nebeneinander angeordnet sind. Die Gehäuse bilden hierbei die Eingangsseite, und die jeweils herrschende grösste Geschwindigkeit in einer Freilaufkupplung wird auf die Abtriebswelle übertragen, während die anderen Kupplungen in diesem Zeitpunkt frei laufen.