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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft eine Freilaufkupplung mit zwischen einem Innenring
und einem Außenring angeordneten
taillierten Klemmkörpern.
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Hintergrund
der Erfindung
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Eine
Freilaufkupplung der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus
der
DE 103 10 225
A1 bekannt. Dieser Freilauf weist beschränkt kippbar
in einem Käfig
geführte
Klemmkörper
auf, wobei bei Verkippung des Klemmkörpers in Richtung zur abgehobenen,
nicht klemmenden Stellung ein formschlüssiger Anschlag für den Klemmkörper sowie
für eine diesen
kontaktierende Federzunge an einer Begrenzungswand des Käfigs gegeben
ist. Die Federzunge weist entweder eine so genannte Biegegeometrie
auf (siehe
1,
5)
oder verläuft
ohne Biegegeometrie in tangentialer Richtung des Freilaufs (siehe
6). Während
die erstgenannte Ausführungsform einen
relativ hohen fertigungstechnischen Aufwand bedingt, können bei
der letztgenannten Ausführungsform
in der Feder höhere
Kräfte
in tangentialer Richtung auftreten.
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Aufgabe der
Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Klemmkörperfreilauf
anzugeben, der sich sowohl durch rationelle Fertigungsmöglichkeiten
als auch durch besonders günstige
Betriebseigenschaften auszeichnet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Freilauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Zwischen einem
Innenring und einem Außenring
des Freilaufs sind taillierte Klemmkörper in Taschen eines Käfigs angeordnet
und dabei durch Federkraft beaufschlagt. Unter „Innenring" ist in diesem Zusammenhang allgemein
jegliches rotationssymmetrische Teil zu verstehen, dessen Außenoberfläche eine
Kontaktfläche
für die
Klemmkörper
bildet. Insbesondere wird auch eine massive Welle unter dem Begriff „Innenring" subsumiert. Die
auf die Klemmkörper
wirkende, diese in Richtung deren Klemmposition drückende Federkraft
wird durch ein Federband bereitgestellt, welches radial innerhalb des
einzigen Käfigs
der Freilaufkupplung angeordnet ist. Einzelne Federzungen des Federbandes
kontaktieren jeweils einen Klemmkörper und ragen dabei in eine
Tasche des Käfigs,
in welcher der Klemmkörper angeordnet
ist. Die im Käfig
befindlichen Taschen weisen im Wesentlichen eine T-Form mit einem in Axialrichtung
der Freilaufkupplung breiteren Bereich und einem sich daran anschließenden schmaleren Bereich
auf, wobei der breitere Bereich der Klemmkörperform angepasst ist und
der schmalere Bereich eine ausreichende Bewegungsfreiheit der Federzunge
sicherstellt.
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Das
gesamte Federband ist gegenüber
dem Käfig
vorgespannt. Solange keinerlei Kraft auf das Federband einwirkt,
weist dieses eine Ausgangskrümmung
mit einem Krümmungsradius
auf, der den Radius des Käfigs übersteigt.
Auch die Federzungen sind im unbelasteten Zustand des Federbandes
bereits gekrümmt,
wobei deren Krümmung
jedoch einen Radius aufweist, der zumindest etwas geringer als der
Krümmungsradius
des Federbandes insgesamt ist, so dass die Federzungen radial zumindest geringfügig nach
innen gerichtet sind. Durch die nach innen vorgebogene Form der
Federzungen ist gewährleistet,
dass auch bei im Käfig – ohne Bestückung mit
Klemmkörpern – einliegendem
Federband dessen Federzungen nicht nach außen, sondern zumindest in geringem
Maße in
Richtung zur Achse der Freilaufkupplung weisen. Im mit Klemmkörpern bestückten Freilauf
sind die Federzungen zu Klemmbeginn immer vorgespannt, wobei sich
bei zunehmender Drehmomentübertragung
zwischen dem Innen- und dem Außenring,
also bei zunehmender Klemmwirkung, die Federzunge radial nach innen
bewegt. Hierbei geht die Federzunge während der Kippbewegung der
Klemmkörper
durch die Nulllage, das heißt diejenige
Position, in der sie tangential ausgerichtet ist.
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Die
in der beschriebenen Weise vorgebogene Form der Federzungen trägt wesentlich
dazu bei, Spannungsspitzen beim Verkippen der Klemmkörper zu
vermeiden oder zu mindern. Derartige Spannungsspitzen können im
Federband bei Freilaufkupplungen nach dem Stand der Technik insbesondere
dann auftreten, wenn die Federzunge einheitlich mit dem Federband
gebogen und der Klemmkörper mit
Spiel im Federband gehalten ist. Die erfindungsgemäße Freilaufkupplung
schafft hinsichtlich der mechanischen Spannungsspitzen im Federband
Abhilfe, ohne hierzu aufwändig
geformter Federn zu bedürfen.
Vorzugsweise weist das gesamte Federband einschließlich der
Federzungen nur eine einzige Krümmungsrichtung
auf.
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Die
kompakt gestaltete, eine geringe Massenträgheit aufweisende Federzunge
benötigt
keinen Anschlag am Käfig.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Federzunge innerhalb des schmaleren
Bereichs der Tasche des Außenrings
frei beweglich. Die an einen Quersteg des Federbandes angeformte
Federzunge ist in sich im Wesentlichen starr ausgebildet. Die Federwirkung
wird hauptsächlich
durch eine Torsion des in Axialrichtung der Freilaufkupplung verlaufenden
Querstegs erzielt. Bei einer Kippbewegung des Klemmkörpers wird
nicht nur die Federzunge ausgelenkt, sondern auch derjenige Quersteg,
den der Klemmkörper
auf dessen der Federzunge abgewandten Seite kontaktiert, etwas ver kippt.
Auch diese Torsion des Querstegs trägt zur gewünschten Anfederung des Klemmkörpers bei.
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Während die
Auslenkung der Federzunge durch den Käfig nicht eingeschränkt ist,
bildet der Käfig
für den
Klemmkörper
in vorteilhafter Weise eine Anlagefläche, welche als Anschlag für den Käfig in Freilaufposition,
insbesondere in vom Innenring abgehobener Position, dient. Der der
Kontur des Klemmkörpers
angepasste Anschlag befindet sich bevorzugt am Übergang zwischen dem breiteren
und dem schmaleren Bereich der den Klemmkörper aufnehmenden Käfigtasche.
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Der
am Käfig
anliegende Klemmkörper
kann Kräfte
radial über
den Käfig
in den Außenring
einleiten. Eine stabile Anlage des Klemmkörpers am Käfig ist gegeben, wenn ein Anlagepunkt
des Klemmkörpers
am Innenring in Umfangsrichtung zwischen der Anlagefläche am Käfig und
einem Anlagepunkt des Klemmkörpers
am Außenring
angeordnet ist.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung sind an den Stirnseiten des Käfigs Gleitscheiben
auf diesen aufgesteckt. Die bevorzugt aus Buntmetall gefertigten
oder mit einem Buntmetall beschichteten Gleitscheiben können verdrehbar
mit dem Käfig
verbunden sein. Eine Radiallagerfunktion ist weiterhin durch ein
axial neben den Klemmkörpern
angeordnetes Wälzlager
realisierbar.
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Der
Käfig der
Freilaufkuppfung ist vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt. In besonders
vorteilhafter Ausgestaltung wird für die Herstellung des Käfigs ein
faserverstärkter
Kunststoff, insbesondere ein glasfaserverstärkter Kunststoff, verwendet.
Damit ist eine Temperaturbeständigkeit
bis etwa 200° sowie eine
gute Beständigkeit
gegenüber
im Automobilbereich gängigen Ölen erzielbar.
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Solange
auf den Käfig
keine Radialbelastungen wirken, ist dieser vorzugsweise innen, nämlich auf
dem Federband, geführt.
Alternativ ist auch eine Außenführung des
Käfigs
möglich.
Die Enden des Federbandes sind bevorzugt ohne Verbindung überlappend
radial innerhalb des einzigen Käfigs
der Freilaufkupp lung angeordnet. Da jeder Klemmkörper in einer Tasche des Käfigs beweglich
gelagert ist, besteht in bevorzugter Ausgestaltung insgesamt eine schwimmende
Lagerung des Käfigs
auf dem Federband. Dies bedeutet, dass in tangentialer Richtung zumindest
geringfügige
Bewegungen zwischen dem Federband und dem Käfig möglich sind. Ebenso ist die
radiale Position des Käfigs
relativ zum Federband nicht vollkommen festgelegt. Die radiale Lage
des Federbandes ergibt sich im Wesentlichen aus der Lage der Taillierung
der Klemmkörper.
Solange ein Klemmkörper
nicht in Freilaufposition in Richtung zum Außenring gedrückt wird,
bleibt die Außenwandung
des Käfigs
zumindest geringfügig
vom Außenring
beabstandet. Somit sind unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten
des aus einem Polymerwerkstoff gefertigten Käfigs einerseits und der metallischen
Innen- und Außenringe
andererseits tolerierbar.
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Nachfolgend
werden mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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1b bis
d verschiedene Betriebszustände eines
Klemmkörperfreilaufs,
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2 im
Detail einen Klemmkörper
in einer Freilaufkupplung,
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3a und
b ein weiteres Ausführungsbeispiel
einer Klemmkörperfreilaufkupplung,
und
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4 einen
Käfig der
Freilaufkupplung nach 3a, b in einer Draufsicht und
verschiedenen Schnitten.
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnung
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Die 1a bis 1d zeigen
ausschnittsweise in vereinfachten Querschnittsdarstellungen eine
Freilaufkupplung 1, auch als Klemmkörperfreilauf bezeichnet, in
unterschiedlichen Zuständen
des bestimmungsgemäßen Betriebs.
Die Freilaufkupplung 1 ist beispielsweise in einem Drehmomentwandler
oder in einem Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeuges verwendet.
Im Drehmomentwandler kann die Freilaufkupplung 1 die Freilauffunktion
des zwischen dem Pumpenrad und dem Turbinenrad angeordneten Leitrades
sicherstellen.
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Wesentliche
Komponenten der Freilaufkupplung 1 sind ein Innenring 2 und
ein Außenring 3,
zwischen welchen mehrere Klemmkörper 4 angeordnet sind.
Die Klemmkörper 4 weisen
eine taillierte Form mit einer Einschnürung 5 auf, wobei
diese Einschnürungen 5 die
Lage eines im Wesentlichen konzentrisch zum Innenring 2 und
Außenring 3 angeordneten Federbandes 6 bestimmen.
Die nicht miteinander verbundenen Federenden 7, 8 sind,
wie aus 1a hervorgeht, überlappend
angeordnet. Radial zwischen dem Federband 6 und dem Außenring 3 befindet
sich ein auf dem Federband 6 oder im Außenring 3 geführter Käfig 9 aus
Kunststoff. Jeder Klemmkörper 4 befindet
sich in einer Aussparung 10, auch als Tasche bezeichnet,
des Käfigs 9.
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Die
Form der Taschen 10 ist gut anhand der 3b ersichtlich,
die in einer Explosionsdarstellung eine Freilaufkupplung 1 zeigt,
deren Aufbau und Funktion im Wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach
den 1a bis 1d entspricht.
Die nachfolgenden Ausführungen
beziehen sich, soweit nicht ausdrücklich anders erwähnt, auf
sämtliche
Gestaltungen nach den 1a bis 1d, 2, 3a, 3b, 4.
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Die
Taschen 10 des Käfigs 9 weisen
eine sehr flache T-Form mit einem in Axialrichtung der Freilaufkupplung 1 breiteren
Bereich 11 und einem daran unmittelbar anschließenden schmaleren
Bereich 12 auf. Während
der breitere Bereich 11 der Aufnahme eines Klemmkörpers 4 dient,
ist im schmaleren Bereich 12 eine den Klemmkörper 4 kontaktierende
Federzunge 13 angeordnet. Jede Federzunge 13 ist
an einen in Axialrichtung der Freilaufkupplung 1 verlaufenden
Quersteg 14 des Federbandes 6 angeformt. Der Freiraum
zwischen zwei benachbarten Querstegen 14 des Federbandes 6 entspricht
in Größe und Form
annähernd
einer Tasche 10 des Käfigs 9.
Die, abgesehen von den Federzungen 13, rechteckigen Freiräume zwischen
den Querstegen 14 des Federbandes 6 werden allgemein
als Ausstanzung 15 bezeichnet. Diese Bezeichnung wird unabhängig vom
Herstellungsverfahren des Federbandes 6 gewählt, beispielsweise
auch bei Bearbeitung mittels Laser. Die Querstege 14 verbinden
umlaufende Borde 19 des Federbandes 6. Das gesamte
Federband 6 weist keinerlei Sicken, Einkerbungen oder ähnliches
auf und ist damit sehr rationell mit reproduzierbarer Qualität herstellbar.
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Der
schmalere Bereich 12 der Tasche 10 erfüllt eine
Doppelfunktion: Zum einen ermöglicht
er eine ungehinderte Bewegung der Federzunge 13, zum anderen
ist er in Axialrichtung begrenzt durch Anlageflächen 16 des Käfigs 9.
Diese die Grenze zwischen dem schmaleren Bereich 12 und
dem breiteren Bereich 11 der Tasche 10 bestimmenden,
auch als Anlageschrägen
bezeichneten Anlageflächen 16 sind
formschlüssig
dem Klemmkörper 4 angepasst, wie
im Detail aus 2 hervorgeht.
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In 2 sind
mehrere Kraftvektoren eingezeichnet, die am Klemmkörper 4 angreifen:
Mit einer Kraft FW belastet der Innenring 2 den
Klemmkörper 4 in
Radialrichtung nach außen.
Radial nach innen gerichtete Gegenkräfte werden aufgebracht in Form
einer Kraft FK, mit welcher der Käfig 9 auf
den Klemmkörper 4 einwirkt,
so wie einer Kraft FB, mit der der Außenring 3 den
Klemmkörper 4 nach
innen belastet. Die Anlagepunkte des Klemmkörpers 4 am Innenring 2 sowie
am Außenring 3 sind
mit Pi beziehungsweise Pa bezeichnet.
Wie aus 2 ersichtlich, sind die Kraftvektoren
FK und FB in entgegengesetzten
Umfangsrichtungen von der Kraft FW beabstandet,
so dass sich insgesamt eine stabile Lagerung des Klemmkörpers 4 ergibt.
Wird eine Kraft, wie es den realen Verhältnissen entspricht, flächig vom
Käfig 9 in den
Klemmkörper 4 eingeleitet,
so kennzeichnet der Kraftvektor FK diejenige
Kraft, die die gleiche Wirkung wie die flächig eingeleitete Kraft entfaltet.
Zwischen dem Innenring 2 und dem Au ßenring 3 wirkende
Radialkräfte
sind somit über
den Klemmkörper 4 sowie über den
Käfig 9,
welcher zu diesem Zweck die Anlageschräge 16 aufweist, übertragbar.
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Stützt sich
der Klemmkörper 4 nicht über den Käfig 9 am
Außenring 3 ab,
so verbleibt zwischen dem Käfig 9 und
dem Außenring 3 ein
beispielsweise in 1a sichtbarer Spalt 17.
Der Käfig 9 ist
somit nicht außen
geführt.
Eine Zusatzfunktion des Käfigs 9 ist
dadurch gegeben, dass auf diesen stirnseitig eine Gleitscheibe 18 mit
einer Sicke 20 aufschnappbar ist, die eine Gleitlagerung
zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 bewirkt.
Die Gleitscheibe 18 umgreift am Käfigs 9 einen ringförmigen,
eine Nut 21 aufweisenden Bord 22, an welchen sich
in Axialrichtung verlaufende Stege 23 des Käfigs 9 anschließen. Die
Stege 23 sind gegenüber
den Borden 22 etwas in Radialrichtung hervorgehoben und
bilden damit eine Käfigerhebung 24.
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Wie
insbesondere aus 4 hervorgeht, beschreiben die
Borde 22 zusammen mit dem Steg 23 im Querschnitt
eine flache U-Form, wobei die Borde 22, welche sich in
Radialrichtung etwas weiter als der Steg 23 ausdehnen,
die radial nach innen gerichteten Schenkel des U-Querschnitts darstellen.
Die U-förmige Ausbildung
des Käfigs 9 ermöglicht einerseits
die Führung
des Federbandes 6 und stellt andererseits die freie Beweglichkeit
der Federzungen 13 sicher. Bei der Herstellung des Käfigs 9 im
Kunststoff-Spritzgussverfahren ist zu beachten, dass keine Entformung
des Spritzgusswerkzeugs radial nach innen möglich ist.
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In
der Anordnung nach den 1a bis 1d wird
der Außenring 3 vom
Innenring 2 mitgenommen, wenn der Innenring 2 im
Uhrzeigersinn rotiert. Dieser Zustand ist in den 1a und 1d dargestellt,
wobei in der Positionierung der Klemmkörper 4 nach 1a ein
relativ geringes und in der Anordnung nach 1d das
maximale Drehmoment übertragen
wird. In jedem der Bewegungszustände nach
den 1a bis 1d ist
das Federband 6 gegen den Käfig 9 vorgespannt.
Entnimmt man das Federband 6 aus dem Käfig 9, so weitet sich
das Federband 6 etwas auf, d.h. die Krümmung des Federbandes 6 im mechanisch
unbelasteten Zustand weist einen größeren Radius auf, als der Käfig 9.
Die Krümmung
des Federbandes 6 im mechanisch unbelasteten Zustand wird
auch als Rollierung bezeichnet. Mit dem Federband 6 sind
auch die Federzungen 13 rolliert, wobei jedoch Unterschiede
hinsichtlich des Krümmungsradius
des Federbandes 6 insgesamt sowie der einzelnen Federzungen 13 gegeben
sind: Ohne Einwirkung äußerer Kräfte sind
die Federzungen 13 stärker
gekrümmt
als das Federband 6 insgesamt. Somit sind die Federzungen 13 innerhalb
des Federbandes 6 radial zumindest leicht nach innen gerichtet.
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Die
Anordnung der Federzungen 13 im mechanisch unbelasteten
Zustand relativ zum übrigen Federband 6 entspricht
also prinzipiell der in 1d gezeigten
Anordnung. Da es sich beim Betriebszustand nach 1d um
die Übertragung
des maximal möglichen
Drehmoments zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 handelt,
also im Vergleich zu den Kräften,
die die Federzungen 13 aufbringen können, sehr hohe Belastungen
auf die Klemmkörper 4 wirken,
kommt es in diesem Fall nicht darauf an, in welcher Richtung die
Federzungen 13 wirken. Insbesondere ist es akzeptabel,
wenn die Federzungen 13 die Klemmkörper 4 nur mit einer äußerst geringen Kraft
in Richtung zur – bereits
erreichten – Klemmposition
beaufschlagen.
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Eine
andere Situation ist gegeben, wenn die Klemmkörper 4, wie in 1a dargestellt,
nur ein relativ geringes Drehmoment zwischen dem Innenring 2 und
dem Außenring 3 übertragen.
In diesem Fall haben die Federzungen 13 dieselbe tangentiale
Ausrichtung wie das gesamte Federband 6, so dass sie in 1a nicht
erkennbar sind. Würde
im mechanisch unbelasteten Zustand das gesamte Federband 6 einschließlich der
Federzungen 13 eine konstante Krümmung aufweisen, so würden die
Federzungen 13 in der Anordnung nach 1a keine
Kraft auf die Klemmkörper 4 ausüben, welche
den weiteren Übergang
der Klemmkörper 4 in
die Klemmposition unterstützt.
Im Gegensatz zur Anordnung nach 1d ist es
jedoch gerade in der Anordnung nach 1a, bei geringer
Torsionsbelastung der Freilaufkupplung 1, von besonderer
Wichtigkeit, den Übergang
der Klemmkörper 4 in
die Klemmposition durch Federkraft zu unterstützen. Dies wird dadurch erreicht, dass
die Federzungen 13 im unbelas teten Zustand stärker eingerollt
sind als das übrige
Federband 6. Die Federzungen 13 haben hierbei
eine einheitliche Krümmungsrichtung,
welche mit der Krümmungsrichtung
des gesamten Federbandes 6 übereinstimmt.
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Die
Anordnungen nach 1b und 1c unterscheiden
sich voneinander dadurch, dass nach 1b die
Klemmkörper 4 sowohl
am Innenring 2 als auch am Außenring 3 anliegen,
während
sie nach 1c ausschließlich am Außenring 3 anliegen.
Im Fall der 1b liegt eins Rotation des Außenrings 3 mit
geringer Winkelgeschwindigkeit und/oder eine Rotation des Innenrings 2 mit
beliebiger Winkelgeschwindigkeit vor, während im Fall der 1c der Außenring 3 mit
hoher Winkelgeschwindigkeit rotiert. Dadurch entstehen auf die Klemmkörper 4 wirkende Zentrifugalkräfte, die
zum Abheben der Klemmkörper 4 vom
Innenring 2 und zur Anlage derselben an den Anlageschrägen 16 führen. Wird
die Winkelgeschwindigkeit des Außenrings 3 weiter
erhöht,
so kann durch die auftretenden Kräfte der in 1c noch
offene Spalt 17 geschlossen werden. Die damit erhöhte Reibung
zwischen dem Käfig 9 und
dem Außenring 3 begünstigt in
gewünschter
Weise das Mitdrehen des Käfigs 9 mit
dem Außenring 3.
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- 1
- Freilaufkupplung
- 2
- Innenring
- 3
- Außenring
- 4
- Klemmkörper
- 5
- Einschnürung
- 6
- Federband
- 7
- Federende
- 8
- Federende
- 9
- Käfig
- 10
- Tasche
- 11
- breiterer
Bereich
- 12
- schmalerer
Bereich
- 13
- Federzunge
- 14
- Quersteg
- 15
- Ausstanzung
- 16
- Anlagefläche
- 17
- Spalt
- 18
- Gleitscheibe
- 19
- Bord
- 20
- Sicke
- 21
- Nut
- 22
- Bord
- 23
- Steg
- 24
- Käfigerhebung
- FB
- Kraft
- FK
- Kraft
- FW
- Kraft
- Pi
- Anlagepunkt
- Pa
- Anlagepunkt