DE102006004491A1

DE102006004491A1 - Klemmkörperfreilauf

Info

Publication number: DE102006004491A1
Application number: DE102006004491A
Authority: DE
Inventors: Frank Dipl.-Ing. Straub
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-08-02
Also published as: US20070175722A1

Abstract

Ein Klemmkörperfreilauf (1) weist zwischen einer zylindrischen Außenlaufbahn (4) und einer zu dieser konzentrischen zylindrischen Innenlaufbahn (4) angeordnete Klemmkörper (2) auf, welche zwischen einer Freilaufposition und einer Klemmposition kippbar sind, sowie einen die Klemmkörper (2) führenden Käfig (6). Die Klemmkörper (2) sind derart geformt und im Käfig (6) geführt, dass sie in Freilaufposition bei Überschreiten einer Mindestdrehzahl des Käfigs (6) sowohl von der Innenlaufbahn (4) als auch von der Außenlaufbahn (4) abheben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Klemmkörperfreilauf mit Klemmkörpern, die in einem Ringraum zwischen einem zylindrischen inneren Kupplungsteil und einem hohlzylindrischen äußeren Kupplungsteil mittels eines Käfigs geführt sind und zwischen einer eine Drehmomentübertragung zwischen den Kupplungsteilen ermöglichenden Klemmposition und einer Freilaufposition schwenkbar sind.

Hintergrund der Erfindung

Ein Klemmkörperfreilauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist beispielsweise aus der DE 103 10 225 A1 bekannt. Bei einer Rotation des Außenrings dieses bekannten Klemmkörperfreilaufs leiten die Klemmkörper Fliehkräfte in den Außenring ein. Der Käfig des Freilaufs hat unter anderem die Funktion, Kräfte von den Klemmkörpern in den Außenring zu übertragen und weist innerhalb von zur Aufnahme von Klemmkörpern vorgesehenen Taschen Begrenzungswände auf, die eine Abstützung der Klemmkörper am Käfig ermöglichen.

Bei ausreichender Fliehkraft heben die Klemmkörper in gewünschter Weise von der Innenlaufbahn ab, so dass das äußere Kupplungsteil und mit diesem der Käfig sowie die Klemmkörper ohne vom inneren Kupplungsteil ausgehende Reibungseinflüsse rotieren.

Aus der DE 2 004 457 C ist eine Klemmkörperfreilauf-Kupplung bekannt, die eine Schwenkbewegung der Klemmkörper ermöglichen soll, die zum Abheben der Klemmkörper von der äußeren Klemmbahn führt. Bei dieser Klemmkörperfreilauf-Kupplung bleiben die Klemmkörper stets in Kontakt mit dem Innenring, d.h. dem inneren Kupplungsteil.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Klemmkörperfreilauf anzugeben, der besonders für hohe Relativdrehzahlen zwischen dem inneren und dem äußeren Kupplungsteil geeignet ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Klemmkörperfreilauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser Klemmkörperfreilauf mit einer zylindrischen Innenlaufbahn und einer hierzu konzentrischen zylindrischen Außenlaufbahn weist zwischen einer Freilaufposition und einer Klemmposition kippbare, in einem Käfig geführte Klemmkörper auf, die derart geformt sowie im Käfig geführt sind, dass sie in Freilaufposition, abhängig von der Drehzahl des Käfigs, sowohl von der Innenlaufbahn als auch von der Außenlaufbahn abheben. Somit ist bei Überschreiten einer Mindestdrehzahl des Käfigs sowohl die Reibung zwischen den Klemmkörpern und der Außenlaufbahn als auch die Reibung zwischen den Klemmkörpern und der Innenlaufbahn aufgehoben. Beim Unterschreiten der Mindestdrehzahl des Käfigs, eventuell mit einer Hysterese, kehren die Klemmkörper selbsttätig wieder in Klemmbereitschaft zurück.

Um die Klemmbereitschaft, soweit die Mindestdrehzahl des Käfigs nicht überschritten wird, aufrecht zu erhalten, ist jeder Klemmkörper vorzugsweise durch eine separate Feder am Käfig angefedert. Die bevorzugt als Schraubenfedern ausgebildeten Federn erstrecken sich beispielsweise in Radialrichtung der Kupplungsteile. Alternativ ist es beispielsweise auch möglich, sämtliche Klemmkörper des Freilaufs mittels eines einzigen Federbandes mit einer Kraft in Richtung zur Klemmposition zu beaufschlagen.

In bevorzugter Ausgestaltung weist der Klemmkörperfreilauf lediglich einen einzigen Käfig, insbesondere aus einem Polymer-Material, auf. Wird der Käfig aus einem metallischen Werkstoff gefertigt, so werden spanlose Umformverfahren bevorzugt. Unabhängig vom Werkstoff, aus welchem der Käfig gefertigt ist, weist dieser die Klemmkörper aufnehmende Taschen auf. Diese sind vorzugsweise durch mit Oberflächenabschnitten der Klemmkörper zusammenwirkende Führungsbahnen begrenzt, die eine gekrümmte Form aufweisen und damit eine definierte Schwenkbewegung der Klemmkörper ermöglichen. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist jeder Klemmkörper ausschließlich um einen Drehpunkt schwenkbar, der relativ zum Käfig ortsfest ist. Im Gegensatz zum Drehpunkt ist der Schwerpunkt eines Klemmkörpers relativ zum Käfig nicht ortsfest. Vorzugsweise ist der Schwerpunkt eines Klemmkörpers zumindest in dessen Klemmposition von der Innenlaufbahn und damit von der Achse des Klemmkörperfreilaufs geringer beabstandet als der Drehpunkt des Klemmkörpers.

Der Klemmkörper weist in bevorzugter Ausgestaltung zwei gekrümmte Umfangsabschnitte auf, die durch zwei vorzugsweise gerade Zwischenstücke miteinander verbunden sind. Jeder der gekrümmten Umfangsabschnitte wirkt mit einer Laufbahn des Klemmkörperfreilaufs sowie mit einer vom Käfig gebildeten Führungsbahn zusammen. Vorzugsweise beschreibt zumindest der an einer der Laufbahnen anliegende Teil des gekrümmten Umfangsabschnitts eine logarithmische Spirale. Unabhängig von der Winkelstellung des Klemmkörpers ist damit ein konstanter Klemmwinkel gegeben. Die nicht gekrümmten oder im Vergleich zu den an den Laufbahnen anliegenden Umfangsabschnitten weniger gekrümmten Zwischenabschnitte des Klemmkörpers dienen vorzugsweise als Anlagefläche für eine zwischen den Käfig und den Klemmkörper gespannte Feder, die, sofern der Klemmkörper nicht durch die auf ihn einwirkende Zentrifugalkraft von den Laufbahnen abgehoben ist, die ständige Klemmbereitschaft des Klemmkörperfreilaufs sicherstellt.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung weist der Klemmkörperfreilauf zusätzlich Wälzkörper zur Radiallagerung auf. Dabei sind im selben axialen Bereich, in dem auch die Klemmkörper angeordnet sind, zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Klemmkörpern Wälzkörper angeordnet, wobei die Gesamtzahl der Klemmkörper in der Freilaufkupplung vorzugsweise der Gesamtzahl der zur Radiallagerung des inneren Kupplungsteils relativ zum äußeren Kupplungsteil vorgesehenen Wälzkörper entspricht. Vorzugweise sind die Wälzkörper, beispielsweise Kugeln oder Zylinderrollen, im selben Käfig geführt, der auch zur Führung der Klemmkörper vorgesehen ist. Solange die Klemmkörper Kontakt zum Innenring sowie zum Außenring haben, gleiten sie auf beiden Laufbahnen. Heben die Klemmkörper aufgrund der auf sie einwirkenden Zentrifugalkräfte von beiden Laufbahnen ab, so rotieren sie zwar weiterhin – mit dem Käfig – mit einer Winkelgeschwindigkeit zwischen der Winkelgeschwindigkeit des Innenrings und der Winkelgeschwindigkeit des Außenrings, doch ist die Gleitreibung zwischen den Klemmkörpern und den Laufbahnen eliminiert.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 einen Klemmkörperfreilauf mit Klemmkörpern in verschiedenen Positionen,
2 den Klemmkörperfreilauf nach 1 in Freilaufposition, und
3 den Klemmkörperfreilauf nach 1 in Klemmposition.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
In 1 ist ausschnittsweise ein Klemmkörperfreilauf 1 dargestellt, dessen Klemmkörper 2 sich, abweichend vom realen Betrieb, in unterschiedlichen Winkelpositionen befinden: Der in der Darstellung links oben angeordnete Klemmkörper 2 befindet sich in Klemmposition, während sich der rechts unten angeordnete Klemmkörper 2 in Freilaufposition befindet. Der dazwischen angeordnete Klemmkörper 2 ist in einer Zwischenposition dargestellt. Der in Klemmposition befindliche Klemmkörper 2 kontaktiert sowohl eine Innenlaufbahn 3 als auch eine Außenlaufbahn 4 des Klemmkörperfreilaufs 1. Bei der zylindrischen Innenlaufbahn 3 handelt es sich um die Oberfläche einer Welle oder Hohlwelle, welche auch als inneres Kupplungsteil bezeichnet wird. Analog stellt die Außenlaufbahn 4 eine zylindrische Oberfläche eines äußeren Kupplungsteils dar. Im zwischen den Laufbahnen 3 und 4 gebildeten Ringraum 5 sind die Klemmkörper 2 mittels eines einzigen Käfigs 6 geführt. Der Käfig 6 weist hierzu Taschen 7 auf, die jeweils einen Klemmkörper 2 aufnehmen und durch im dargestellten Querschnitt gekrümmte Führungsbahnen 8 begrenzt sind.
Ein Klemmkörper 2 weist im dargestellten Querschnitt folgende vier Umfangsabschnitte auf: Ein erster gekrümmter Umfangsabschnitt 9 liegt an der Innenlaufbahn 3, ein zweiter gekrümmter Umfangsabschnitt 10 an der Außenlaufbahn 4 an. Jeder dieser gekrümmten Umfangsabschnitt 9, 10 beschreibt zumindest in demjenigen Bereich, in dem der Klemmkörper 2 eine Laufbahn 3, 4 kontaktiert, eine logarithmische Spirale. Das Profil des Klemmkörpers 2 wird vervollständigt durch zwei die gekrümmten Umfangsabschnitte 9, 10 verbindende Zwischenabschnitte 11, 12, wobei sich der erste Zwischenabschnitt 11 radial innerhalb des Käfigs 6 und der zweite Zwischenabschnitt 12 radial au ßerhalb des Käfigs 6 befindet. Zwischen den nicht gekrümmten ersten Zwischenabschnitt 11 und den Käfig 6 ist eine als Druckfeder ausgebildete Feder 13, nämlich eine Schraubenfeder, gespannt. Diese Feder 13 beaufschlagt den Klemmkörper 2 permanent mit einer Kraft F_F in Richtung zur Klemmposition. In entsprechender Weise kann eine dieselbe Funktion erfüllende zweite Feder zwischen den zweiten Zwischenabschnitt 12 und den Käfig 6 gespannt sein.
Wird der Käfig 6 nicht oder nur langsam gedreht, so befindet sich der Klemmkörper 2 in permanenter Klemmbereitschaft. Der Klemmkörperfreilauf 1 läuft frei, wenn sich die Außenlaufbahn 4 im Uhrzeigersinn dreht, während die Innenlaufbahn 3 nicht rotiert. Entsprechendes gilt bei feststehender Außenlaufbahn 4, wenn die Innenlaufbahn 3 im Gegenuhrzeigersinn rotiert. Die Relativbewegung der Laufbahnen 3, 4 in diesem Freilaufzustand ist in 1 durch Pfeile angedeutet.
Der Käfig 6 kann während des Freilaufbetriebs in Ruhe bleiben. Im Folgenden wird jedoch davon ausgegangen, dass der Käfig 6 rotiert, wobei die Winkelgeschwindigkeit des Käfigs 6 von der Winkelgeschwindigkeit der Außenlaufbahn 4 abweicht. Am Klemmkörper 2 treten dabei folgende Kräfte auf: Eine in radiale Richtung von der Außenlaufbahn 4 auf den Klemmkörper 2 einwirkende Normalekraft F_N, eine zwischen der Außenlaufbahn 4 und dem Klemmkörper 2 in tangentiale Richtung wirkende Reibkraft F_R, eine Käfigkraft F_K, mit der der Käfig 6 den Klemmkörper 2 in radiale Richtung abstützt, eine am Schwerpunkt SP des Klemmkörpers 2 angreifende Zentrifugalkraft F_SP, sowie die bereits erwähnte Federkraft F_F. Der Schwerpunkt SP ist in 1 innerhalb des Querschnitts des Klemmkörpers 2 in übertriebener Weise außermittig dargestellt. Hiermit soll verdeutlicht werden, dass der Schwerpunkt SP vom Drehpunkt D, um welchen der Klemmkörper 2 schwenkbar ist, beabstandet ist. Die Position des Drehpunkts D relativ zum Käfig 6 ist unveränderlich. Mit zunehmender Zentrifugalkraft F_SP wird die Feder 13 komprimiert, so dass bei Überschreiten einer Mindestdrehzahl des Käfigs der Klemmkörper 2 von beiden Laufbahnen 3, 4 abhebt. Der Klemmkörper 2 bleibt in dieser Winkelstellung, so lange der Käfig 6 mit ausreichender Winkelgeschwindigkeit rotiert. Wird die Mindestdreh zahl des Käfigs 6 unterschritten, so bewirkt die Federkraft F_F ein Zurückschwenken des Klemmkörpers 2 in Klemmbereitschaft.
Die 2 und 3 zeigen eine Ausgestaltung des Klemmkörperfreilaufs 1 mit Wälzkörpern 14, die zur Übertragung von Radialkräften zwischen der Außenlaufbahn 4 und der Innenlaufbahn 3 vorgesehen sind. Die Form der Klemmkörper 2 sowie deren Führung im Käfig 6 entsprechen dem Ausführungsbeispiel nach 1. Die Wälzkörper 14 sorgen dafür, dass der Käfig 6 sowohl im freilaufenden Zustand (2) als auch im drehmomentübertragenden Zustand (3) mit einer Winkelgeschwindigkeit rotiert, die zwischen der Winkelgeschwindigkeit der Außenlaufbahn 4 und der Winkelgeschwindigkeit der Innenlaufbahn 3 liegt. Im Zustand nach 2 ist die Drehzahl 6 größer als die so genannte Mindestdrehzahl, so dass sämtliche Klemmkörper 2 von beiden Laufbahnen 3, 4 beabstandet sind. Der Klemmkörperfreilauf 1 verhält sich in diesem Zustand wie ein Radialwälzlager. Hierbei ist eine Rotation der Innenlaufbahn 3 bei feststehender Außenlaufbahn 4 ebenso wie eine Rotation der Außenlaufbahn 4 bei feststehender Innenlaufbahn 3 möglich. Trotz hoher Drehzahldifferenzen zwischen der Außenlaufbahn 4 und der Innenlaufbahn 3 unterliegen die Klemmkörper 2 aufgrund ihres vollständig abgehobenen Zustandes keinerlei Verschleiß.
Im Zustand nach 3 wirkt, wie durch Pfeile angedeutet, zwischen den Laufbahnen 3, 4 derart ein Drehmoment, dass die Klemmkörper 2 ihre Klemmposition einnehmen. Die Funktion des Klemmkörperfreilaufs 1 entspricht dabei prinzipiell der Funktion des aus der EP 0 806 584 A1 bekannten Freilaufs. Jedoch ist im Gegensatz zu diesem Freilauf lediglich ein einziger Käfig 6 vorhanden. Zusätzlich zu den die Klemmkörper 2 führenden Taschen 7 weist der Käfig 6 Taschen 15 auf, in denen jeweils ein Wälzkörper 14, insbesondere eine Zylinderrolle, aufgenommen ist. Der Klemmkörperfreilauf 1 mit Radiallagerung gemäß 2 und 3 ist beispielsweise für einen Riementrieb mit Freilauffunktion geeignet. Durch die in den Klemmkörperfreilauf 1 integrierte Radiallagerung benötigt der Klemmkörperfreilauf 1 einen besonders geringen axialen Bauraum.

1: Klemmkörperfreilauf
2: Klemmkörper
3: Innenlaufbahn
4: Außenlaufbahn
5: Ringraum
6: Käfig
7: Tasche
8: Führungsbahn
9: erster Umfangsabschnitt
10: zweiter Umfangsabschnitt
11: Zwischenabschnitt
12: Zwischenabschnitt
13: Feder
14: Wälzkörper
15: Tasche
D: Drehpunkt
F_F: Federkraft
F_K: Käfigkraft
F_N: Normalkraft
F_R: Reibkraft
F_SP: Zentrifugalkraft
SP: Schwerpunkt

Claims

Klemmkörperfreilauf, mit zwischen einer zylindrischen Außenlaufbahn (4) und einer zu dieser konzentrischen zylindrischen Innenlaufbahn (4) angeordneten Klemmkörpern (2), welche zwischen einer Freilaufposition und einer Klemmposition kippbar sind, sowie mit einem die Klemmkörper (2) führenden Käfig (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (2) derart geformt und im Käfig (6) geführt sind, dass sie in Freilaufposition bei Überschreiten einer Mindestdrehzahl des Käfigs (6) sowohl von der Innenlaufbahn (4) als auch von der Außenlaufbahn (4) abheben.
Klemmkörperfreilauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Klemmkörper (2) durch eine separate Feder (13) am Käfig (6) angefedert ist.
Klemmkörperfreilauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (13) als Schraubenfeder ausgebildet ist.
Klemmkörperfreilauf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Feder (13) im Wesentlichen in Radialrichtung, bezogen auf die zylindrischen Laufbahnen (3, 4), erstreckt.
Klemmkörperfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (6) gekrümmte Führungsbahnen (8), welche die Klemmkörper (2) aufnehmende Taschen (7) begrenzen und Schwenkbewegungen der Klemmkörper (2) ermöglichen, aufweist.
Klemmkörperfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Klemmkörper (2) ausschließlich um einen Drehpunkt (D) schwenkbar ist, welcher relativ zum Käfig (6) ortsfest ist.
Klemmkörperfreilauf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in Klemmposition eines Klemmkörpers (2) dessen Schwerpunkt (SP) von der Innenlaufbahn (4) geringer beabstandet ist als der Drehpunkt (D).
Klemmkörperfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Klemmkörper (2) zwei gekrümmte, mit der Innenlaufbahn (4) bzw. mit der Außenlaufbahn (4) zusammenwirkende Umfangsabschnitte (9, 10) aufweist, die durch zwei Zwischenabschnitte (11, 12) miteinander verbunden sind.
Klemmkörperfreilauf nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der gekrümmten Umfangsabschnitte (9, 10) die Form einer logarithmischen Spirale aufweist.
Klemmkörperfreilauf nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Zwischenabschnitte (11, 12) nicht gekrümmt ist.
Klemmkörperfreilauf nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Klemmkörper (2) mit einer Kraft in Richtung der Klemmposition beaufschlagende Feder (13) zwischen den Käfig (6) und einen der Zwischenabschnitte (11, 12) des Klemmkörpers (2) gespannt ist.
Klemmkörperfreilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen in Umfangsrichtung aufeinander folgenden Klemmkörpern (2) ein Wälzkörper (14) zwischen den Laufbahnen (3, 4) angeordnet ist.
Klemmkörperfreilauf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (14) im selben Käfig (6) geführt sind, der auch zur Führung der Klemmkörper (2) vorgesehen ist.