DE102005057299A1

DE102005057299A1 - Hülsenfreilauf

Info

Publication number: DE102005057299A1
Application number: DE102005057299A
Authority: DE
Inventors: Karl-Franz Dipl.-Ing. Sill; Johann Dipl.-Ing. Stark
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-06-06
Also published as: WO2007063052A1

Abstract

Ein Hülsenfreilauf umfasst eine Hülse (2), welche eine zylindrische Außenoberfläche (9) sowie eine Innenoberfläche (8) mit Klemmrampen (7) aufweist, sowie zwischen der Hülse (2) und einer Welle (3) geführte Klemmnadeln (4), wobei die Klemmnadeln (4) in einem Käfig (5) geführt und mittels Federn (10) gegen die Klemmrampen (7) angefedert sind. Die Klemmnadeln (4), die Hülse (2), der Käfig (5) sowie die Federn (10) sind aus korrosionsbeständigen Werkstoffen, insbesondere nicht rostendem Stahl, gefertigt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Hülsenfreilauf mit zwischen einer Welle und einer Hülse geführten Klemmnadeln, welche gegen Klemmrampen angefedert sind, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein derartiger Hülsenfreilauf ist beispielsweise aus der DE 42 10 560 C2 bekannt.

Hintergrund der Erfindung

Der aus der DE 42 10 560 C2 bekannte Freilauf weist eine mit Klemmrampen versehene Hülse auf, die mittels einer Schnappverbindung mit dem die Klemmnadeln führenden Käfig verbunden ist. Auf diese Weise ist ein Freilauf realisierbar, der rationell herstellbar sowie für eine zerstörungsfreie Demontage geeignet ist. Der bekannte Freilauf ist in kleindimensionierter Ausführung beispielsweise in Geräten der Kommunikationstechnik verwendbar.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anwendungsgebiete von mit Klemmnadeln arbeitenden Hülsenfreiläufen zu erweitern.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Hülsenfreilauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Hülse dieses Hülsenfreilaufs ist an der Außenoberfläche zylindrisch und weist an der Innenoberfläche Klemmrampen auf, die zur Zusammenwirkung mit Klemmnadeln vorgesehen sind. Die Klemmkontur ist also ausschließlich auf der Innenseite der Hülse ausgeprägt. Dies hat den Vorteil, dass die Hülse ohne Weiteres in ein Bauteil mit zylindrischer Bohrung eingepresst werden kann. Die innerhalb der Hülse an den Klemmrampen anliegenden Klemmnadeln sind in einem Käfig geführt und mittels Federn gegen die Klemmrampen angefedert. Im Folgenden werden unter dem Begriff „Freilaufteile" zusammenfassend die Klemmnadeln oder Klemmrollen, die Hülse, der Käfig und die Federn verstanden. Jedes der Freilaufteile ist aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff, insbesondere aus nicht rostendem Stahl, gefertigt. Daneben kommen auch Kunststoffe sowie Keramik als Werkstoffe für den Hülsenfreilauf, insbesondere für den Käfig und die Federn bzw. für die Klemmnadeln, in Betracht.

Als Werkstoffe für den Hülsenfreilauf sind besonders die nicht rostenden Stähle X2CrNi18-10, X5CrNi18-8, X90CrMoV18, X5CrNi1810, X20Cr13, sowie X30CrMoN15-1 (nicht rostender Kaltarbeitsstahl, Werkstoffnummer 1.4108, Marke Cronidur^®) geeignet, wobei der Stahl X90CrMoV18 durchhärtbar ist, während die Stähle X20Cr13 und X30CrMoN15-1 oberflächenhärtbar sind.

Generell kann es sich bei für den Hülsenfreilauf geeigneten nichtrostenden Stählen um ferritische, martensitische oder austenitische Stähle handeln. Beispielsweise sind dies aus der sogenannten V2A-Reihe neben dem bereits genannten Werkstoff X5CrNi18-10 (Werkstoffnummer 1.4301) folgende Stähle:
X8CrNiS18-9, X10CrNi18-8, X2CrNi18-9, X6CrNiTi18-10, X2CrNi19-11, X3CrNiCu18-9-4, X4CrNi18-12

Aus der Reihe der V4A-Stähle sind insbesondere folgende Cr-Ni-Mo Stähle für die Fertigung des nichtrostenden Hülsenfreilaufs geeignet:
X2CrNiMo17-12-2, X5CrNiMo17-12-2, X6CrNiMoTi17-12-2, X3CrNiMo17-13-3, X3CrNiCuMo17-11-3-2, X2CrNiMoN17-13-3, X2CrNiMo18-14-3

Auch die höher legierten austenitischen Stähle X1 NiCrMoCu25-20-5 (Werkstoffnummer 1.4539) und X1 NiCrMoCuN25-20-5 (Werkstoffnummer 1.4529) sind geeignete Werkstoffe für die Herstellung des Hülsenfreilaufs, insbesondere der Hülse. Diese Stähle zeichnen sich besonders durch ihre Meerwasserbeständigkeit aus.

Die genannten Werkstoffe sind, ebenso wie vergleichbare Legierungen oder Sonderlegierungen, je nach Anwendung durch unterschiedliche Verfahren rationell verarbeitbar: Die Hülse des Freilaufs ist prädestiniert für eine Herstellung durch spanloses Umformen, wobei in vorteilhafter Ausgestaltung die Hülse lediglich an einer der Stirnseiten nach innen umgebördelt ist. Hierbei wird die Hülse bereits vor dem Zusammenbau des Freilaufs in ihre endgültige Form gebracht und gehärtet. Die Umbördelung dient als stirnseitiger Anschlag für den Käfig des Freilaufs, während die Hülse auf der dem Anschlag gegenüberliegenden Stirnseite des Käfigs auch nach der Montage eine zylindrische Form aufweist, die keiner Nachbearbeitung bedarf.

Komplexer geformte Teile des Hülsenfreilaufs sind beispielsweise als Sinterteile hergestellt. Zur Fertigung von Freilaufteilen mit komplexer Geometrie, auch mit Bohrungen und Hinterschneidungen, ist besonders auch das MIM-Verfahren (Metal Injection Molding) geeignet. Um ein komplexer geformtes Teil kann es sich beispielsweise beim Käfig des Hülsenfreilaufs handeln.

In bevorzugter Ausgestaltung sind die zur Anfederung der Klemmrollen vorgesehenen Federn einstückig am Käfig, welcher in diesem Fall vorzugsweise aus Kunststoff gefertigt ist, angeformt. Alternativ können auch Federn aus nichtrostendem Stahl vorgesehen sein, die einzeln an einem Kunststoffkäfig befestigt sind, insbesondere auf diesen aufgeschnappt sind.

Der Freilauf kann, vergleichbar mit herkömmlichen Hülsenfreiläufen, wahlweise mit oder ohne Lagerung ausgeführt sein. Der Lagerung können Wälzlager und/oder Gleitscheiben dienen. Die Abmessungen des Freilaufs sind vorzugsweise mit herkömmlichen Freiläufen kompatibel. Sofern eine Schnappverbindung zwischen dem Käfig und der Hülse vorgesehen ist, kann hierfür beispielsweise das prinzipiell aus der DE 42 10 560 C2 bekannte Konstruktionsprinzip gewählt werden.

Bei der Herstellung der Hülse durch spanloses Umformen ist eine Erhöhung der Oberflächenhärte bereits durch Kaltverfestigung erreichbar. Um die Oberflächenhärte der Hülse weiter zu erhöhen, wird deren Werkstoff, vorzugsweise nicht rostender Stahl mit mindestens 12% Chromanteil, einer Oberflächenbehandlung unterzogen. Beispielsweise können Freilaufteile durch Plasmahärten einer Gasentladung ausgesetzt werden, bei der Sauerstoff- oder Stickstoffionen freigesetzt werden und in die Oberfläche des Werkstoffes eindringen. Ein weiteres geeignetes Härteverfahren ist das Randschichthärten durch Laserstrahlung. Hierbei wird der Werkstoff, nämlich kohlenstoffhaltiger Stahl, für kurze Zeit stark erhitzt und durch die anschließende rasche Abkühlung in die härtere martensitische Gefügeform umgewandelt. Unabhängig vom gewählten Härteverfahren wird vorzugsweise eine Oberflächenhärte von mindestens 400HV eingestellt.

Von besonderem Vorteil ist eine Oberflächenbehandlung von Freilaufteilen, bei welcher Halogenionen in die Oberfläche der Bauteile implantiert werden. Die einer Ionenimplantation mit Halogenen ausgesetzten Bauteile weisen eine besonders hohe Korrosionsbeständigkeit und Verschleißfestigkeit auf. Darüber hinaus ist bei Bedarf auch eine extreme Temperaturbeständigkeit erzielbar. Obwohl sich die Halogene Fluor, Chlor, Brom und Jod in der Regel aggresiv gegenüber metallischen Werkstoffen verhalten, tritt ein Oxidationsschutzeffekt auf, wenn geringe Mengen eines Halogens mittels Ionenimplantation in die äußerste Werkstoffzone übertragen werden. Statt durch eine Ionenimplantation kann eine Übertragung von Halogenen in den Werkstoff auch durch einen Flüssigkeitstauchprozess erfolgen. In jedem Fall ist die mit Halogenen angereicherte Schicht des Freilaufteils lediglich wenige Mikrometer, insbesondere maximal 3 μm, beispielsweise etwa 1 μm, dick.

Als Grundwerkstoff des mit einem Halogen oberflächenbehandelten Freilaufteils sind beispielsweise Titanaluminide (TiAl) geeignet. Werden diese, insbesondere bei hohen Temperaturen, korrosiven Umgebungsbedingungen ausgesetzt, so werden selektiv Aluminiumhalogenide aus oberflächennahen Werkstoffschichten herausgelöst, wodurch sich an der Werkstoffoberfläche eine gasdichte keramische Schutzschicht aus festem Aluminiumoxid bildet.

Alternativ zur Oberflächenbehandlung mit Halogenen können Freilaufteile aus intermetallischen Verbindungen, insbesondere auf der Basis von Titanaluminid, auch mit ternären Al-Ti-Cr-Schichten beschichtet sein. Diese Schichten werden bevorzugt durch Kathodenzerstäubung auf den Grundwerkstoff aufgebracht. Aufgrund ihrer hohen Korrosionsbeständigkeit sind auch Nickelbasislegierungen für die Herstellung von Teilen des Hülsenfreilaufs geeignet.

Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1a und b ein erstes Ausführungsbeispiel eines Hülsenfreilaufs,
2a und b einen Hülsenfreilauf mit Lagerung, und
3a und b ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hülsenfreilaufs.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Die 1a und 1b zeigen einen Hülsenfreilauf 1, dessen mechanische Funktion grundsätzlich beispielsweise aus der DE 42 10 560 C2 bekannt ist. Zwischen einer Hülse 2 und einer Welle 3 sind auch als Klemmrollen bezeichnete Klemmnadeln 4 in einem Käfig 5 geführt. Die Hülse 2 weist beidseitig nach innen gerichtete Borde 6 auf, so dass sich der gesamte Käfig 5 sowie die Klemmnadeln 4 axial innerhalb der Borde 6 befinden. An der Innenseite der Hülse 2 ist pro Klemmnadel 4 eine Klemmrampe 7 ausgeformt, die durch spanlose Verformung der Hülse 2 hergestellt ist. Im Gegensatz zur die Klemmrampen 7 aufweisenden Innenoberfläche 8 der Hülse 2 ist deren Außenoberfläche 9 zylindrisch. Unter einer zylindrischen Oberfläche wird in diesem Zusammenhang auch eine Oberfläche mit einer leichten Riffelung verstanden. Keinesfalls jedoch sind die Klemmrampen 7 an der Außenoberfläche 9 sichtbar. Um die Klemmnadeln 4 an die Klemmrampen 7 anzufedern, sind Federn 10 vorgesehen, die vorzugsweise einteilig mit dem Käfig 5 ausgebildet sind. Der Käfig 5 ist in diesem Fall bevorzugt aus Kunststoff gefertigt. Ein solcher Käfig mit einstückig angeformten Federn ist prinzipiell beispielsweise aus der U.S. 5,482,150 A bekannt. Jedes der Freilaufteile Hülse 2, Käfig 5 mit Federn 10, sowie Klemmnadeln 4 ist aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff gefertigt.
Beispielsweise ist mindestens eines der Freilaufteile 2, 4, 5, 10 aus einem nichtrostenden ferritischen oder martensitischen Stahl gefertigt. Dies sind insbesondere Stähle mit den Werkstoffnummern:
1.4003, 1.4512, 1.4000, 1.4002, 1.4006, 1.4021, 1.4031, 1.4034, 1.4016, 1.4520, 1,4510, 1.4113, 1.4509, 1.4521, 1.4589
Des weiteren kommen für die Fertigung der Freilaufteile 2, 4, 5, 10 nichtrostende austenitische Stähle, insbesondere Stähle mit den folgenden Werkstoffnummern, in Betracht:
1.4310, 1.4318, 1.4307, 1.4301, 1.4303, 1.4306, 1.4541, 1.4550, 1.4401, 1.4404 1.4571, 1.4561, 1.4435, 1.4439, 1.4539, 1.4565
Ferner ist beispielsweise auch ferritisch-austenitischer nichtrostender Stahl, insbesondere Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4462, für die Fertigung mindestens eines der Freilaufteile 2, 4, 5, 10 verwendbar.
Der Hülsenfreilauf 1 ist damit auch für Anwendungen unter starken korrosiven Beanspruchungen, beispielsweise in einer Angel, die Meerwasser ausgesetzt ist, geeignet. Entsprechendes gilt auch für die Ausführungsformen nach den 2a und 2b sowie 3a und 3b.
Das Ausführungsbeispiel nach den 2a und 2b unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach den 1a und 1b hauptsächlich dadurch, dass axial beiderseits der Klemmnadeln 4 jeweils ein Radiallager 11 innerhalb der Hülse 2 angeordnet ist. Die Wälzkörper 12 der Radiallager 11 sind, ähnlich wie die Klemmnadeln 4, in Käfigen 13, 14 geführt. Auch die Radiallager 11 sind komplett aus korrosionsbeständigen Werkstoffen, insbesondere aus einem der oben genannten Werkstoffe, gefertigt. Die Federn 10 des Hülsenfreilaufs 1 nach den 2a und 2b sind als Metallfedern aus nichtrostendem Stahl ausgebildet und auf einen aus Kunststoff gefertigten Käfig 5 aufgesteckt.
Im Ausführungsbeispiel nach den 3a und 3b ist im Detail die Ausbildung einer Schnappverbindung 15 sichtbar, welche den Käfig 5 in Axialrichtung unverschiebbar gegenüber der Hülse 2 hält. Des Weiteren ist in 3b eine Gleitscheibe 16 erkennbar, die auf der der Schnappverbindung 15 gegenüberliegenden Seite des Käfigs 5 an diesem befestigt ist. Die Gleitscheibe 16 ist beispielsweise als Sinterteil gefertigt und ebenfalls korrosionsbeständig. Die Hülse 2 weist nur einseitig einen Bord 6 auf, braucht also nach dem Zusammenbau des Hülsenfreilaufs 1 nicht mehr verformt zu werden. Wie in den Ausführungsformen nach den 1a bis 2b ist auch die Hülse 2 des Hülsenfreilaufs 1 nach den 3a und 3b durch spanlose Verformung hergestellt. Vor der Montage des Hülsenfreilaufs 1 wird die Hülse 2 gehärtet. Jegliche Verformung der gehärteten Hülse 2 ist entbehrlich. Wie aus 3b hervorgeht, weist die Hülse 2 eine Riffelung 17 auf, die dazu beiträgt, den Hülsenfreilauf 1 fest in einem nicht dargestellten umgebenden Bauteil zu halten.

1: Hülsenfreilauf
2: Hülse
3: Welle
4: Klemmnadel
5: Käfig
6: Bord
7: Klemmrampe
8: Innenoberfläche
9: Außenoberfläche
10: Feder
11: Radiallager
12: Wälzkörper
13: Käfig
14: Käfig
15: Schnappverbindung
16: Gleitscheibe
17: Riffelung

Claims

Hülsenfreilauf mit einer Hülse (2), welche eine zylindrische Außenoberfläche (9) sowie eine Innenoberfläche (8) mit Klemmrampen (7) aufweist, sowie mit zwischen der Hülse (2) und einer Welle (3) geführten Klemmnadeln (4), wobei die Klemmnadeln (4) in einem Käfig (5) geführt und mittels Federn (10) gegen die Klemmrampen (7) angefedert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmnadeln (4), die Hülse (2), der Käfig (5) sowie die Federn (10) aus korrosionsbeständigen Werkstoffen, insbesondere nicht rostendem Stahl, gefertigt sind.
Hülsenfreilauf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch der Radiallagerung zwischen der Welle (3) und der Hülse (2) dienende Wälzkörper (12) aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff.
Hülsenfreilauf nach Anspruch oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federn (10) einstückig am Käfig (5) angeformt sind.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (5) durch eine in Axialrichtung wirksame Schnappverbindung (15) mit der Hülse (2) verbunden ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Teile Hülse (2), Klemmnadeln (4), Käfig (5) und Federn (10) aus X2 CrNi 18 10 gefertigt ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Teile Hülse (2), Klemmnadeln (4), Käfig (5) und Federn (10) aus X5 CrNi 18 8 gefertigt ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Teile Hülse (2), Klemmnadeln (4), Käfig (5) und Federn (10) aus X 90 CrMoV 18 gefertigt ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Teile Hülse (2), Klemmnadeln (4), Käfig (5) und Federn (10) aus X5 CrNi 18 10 gefertigt ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Teile Hülse (2), Klemmnadeln (4), Käfig (5) und Federn (10) aus X20 Cr 13 gefertigt ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Teile Hülse (2), Klemmnadeln (4), Käfig (5) und Federn (10) aus X30 CrMoN 15 1 gefertigt ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenhärte mindestens eines der Freilaufteile Hülse (2), Klemmnadeln (4), Käfig (5) und Federn (10) durch Kaltverfestigung erhöht ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein aus einem metallischen Werkstoff gefertigtes Freilaufteil (2, 4, 5, 10) eine mittels Oberflächenbehandlung erhöhte Härte von mindestens 400 HV aufweist.
Hülsenfreilauf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff des Freilaufteils (2, 4, 5, 10) durch eine Stickstoffanreicherung an der Oberfläche gehärtet ist.
Hülsenfreilauf nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des metallischen Werkstoffs des Freilaufteils (2, 4, 5, 10) durch eine Plasmabehandlung erhöht ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff des Freilaufteils (2, 4, 5, 10) lasergehärtet ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Freilaufteile (2, 4, 5, 10) durch spanloses Umformen gefertigt ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Freilaufteile (2, 4, 5, 10) ein Sinterteil ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Freilaufteile (2, 4, 5, 10) im MIM-Verfahren gefertigt ist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (2) einseitig einen Bord (6) aufweist.
Hülsenfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Freilaufteile (2, 4, 5, 10) durch Ionenimplantation mit einem Halogen oberflächenbehandelt ist.