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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Kupplung, die eine Antriebsverbindung zwischen Bauteilen erzeugt, wenn deren Relativdrehung in der einen Richtung verläuft, und freiläuft, wenn die Relativdrehung in der entgegengesetzten Richtung verläuft. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Kupplungen mit Sperrklinken, die infolge der Wirkung der auf die Sperrklinke wirkenden Zentrifugalkraft wenigstens teilweise in oder außer Eingriff stehen.
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Herkömmliche Einwegkupplungen zum Erzeugen einer Einweg-Antriebsverbindung zwischen Innen- und Außenlaufringen der Kupplung weisen Mitnehmer oder Rollen zum lösbaren antreibbaren Verbinden der Laufringe und der Bauteile einer mechanischen Anordnung auf, die mit den Laufringen verbunden ist. Solche Kupplungen werden üblicherweise im Antriebsstrang oder Getriebe eines Kraftfahrzeuges verwendet. Einwegkupplungen arbeiten in vielen Fällen zufrieden stellend, jedoch erfordern bestimmte Anwendungen, wie jene, bei welchen hohe Drehmomente von der Kupplung übertragen werden, andere Einwegkupplungen als die herkömmliche Kupplung des Mitnehmer- oder Rollentyps, um die gewünschten Anforderungen zu erfüllen.
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Herkömmliche Einwegkupplungen haben wenigstens einen Mitnehmer oder eine Rolle, welche zwei genutete oder ausgesparte Laufringe in der einen Drehrichtung gemeinsam antreibbar miteinander verriegelt und ermöglicht, dass sich die Laufringe in der anderen Richtung frei drehen. Einwegkupplungen des Sperrklinken- und Mitnehmertyps können das Drehmoment für eine bestimmte Gehäusegröße im Vergleich zu einer Kupplung des Rollentyps erhöhen, jedoch sind sie im Allgemeinen durch die von dem Kontakt der Sperrklinken oder Mitnehmer mit den Laufringen verursachten Kontakt- oder Lagerspannungen in der Drehmomentübertragung begrenzt.
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Um diese und andere Schwierigkeiten zu bewältigen, weist eine in der
US 5 070 978 A beschriebene Einweg-Freilaufkupplung ein Antriebselement und ein Abtriebselement auf, welche zur Drehung im und entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um eine gemeinsame Achse montiert sind. Das Antriebselement weist eine ebene Antriebsfläche senkrecht zur gemeinsamen Achse auf, welche mit einer Antriebsquelle zum Drehen der ebenen Antriebsfläche entweder im oder entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn verbunden ist. Das Abtriebselement weist eine ebene Abtriebsfläche auf, die in enger Nähe und gegenüberliegend zu der Antriebsfläche positioniert ist. Das Antriebselement und das Abtriebselement sind über eine Reihe von Aussparungen in einer der Flächen und eine Mehrzahl von Stützen, die von der anderen Fläche getragen werden, miteinander gekuppelt, so dass, wenn das Antriebselement entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn angetrieben wird, dieses das Abtriebselement zusammen mit dem Antriebselement antreibt. Wenn das Antriebselement im Uhrzeigersinn angetrieben wird, treibt dieses das Abtriebselement nicht an, sondern dreht relativ zu dem Abtriebselement frei. Die Knickfestigkeit der Stütze, welche die Torsionsbelastung zwischen den Laufringen überträgt, ist ein wichtiger Faktor bei der Konstruktion.
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Die
US 5 954 174 A offenbart eine Einwegkupplung des Ratschentyps mit einem Innenlaufring mit Nuten, einem Außenlaufring mit Aussparungen, und Sperrklinken, die in den Aussparungen angeordnet sind, um in die Nuten einzugreifen. Die Sperrklinken weisen einen Schwenkrücken auf, welcher mit einem Scheitel oder einer Auskehlung in den Aussparungen des Außenlaufringes zusammenpasst, um die Sperrklinke in der Aussparung zu positionieren. Der Massenschwerpunkt jeder Sperrklinke ist derart gelegt, dass die Sperrklinke dazu neigt, mit einer Nut in dem Innenlaufring in oder außer Eingriff zu gelangen. Eine Feder wird verwendet, um an jeder Sperrklinke eine Kippkraft zu schaffen, die in Eingriffsrichtung der Sperrklinke mit einer Nut wirkt.
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Die
EP 1 143 161 A1 offenbart eine Einwegkupplung, aufweisend eine Nockenplatte mit einer Mehrzahl von Nuten, eine Sperrklinkenplatte mit einer Mehrzahl von Aussparungen und Federvertiefungen, eine Mehrzahl von Sperrklinken, die in den jeweiligen Aussparungen angeordnet sind und mit den jeweiligen Nuten der Nockenplatte in Eingriff gelangen, und eine Mehrzahl von Federn, die in den jeweiligen Federvertiefungen der Sperrklinkenplatte abgestützt sind und die jeweiligen Sperrklinken in Richtung zu dem Eingriff mit den Nuten drücken.
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Herkömmliche Einwegkupplungen entwickeln eine relativ große Ringspannung in den Laufringen, wenn ein Drehmoment durch die Kupplung übertragen wird, so dass die Laufringe der herkömmlichen Einwegkupplungen aus Lagerstahl geformt werden, um der Ringspannung beim Betrieb standzuhalten. Da die in den obigen Patenten offenbarten Kupplungen beim Betrieb relativ geringe Ringspannungen entwickeln, können sie aus Sintermetall geformt werden. Kupplungen aus Sintermetall können unter Umständen mit relativ geringen Kosten im Vergleich zu den Kosten zum Formen und Herstellen einer herkömmlichen Kupplung aus Edelstahl erzeugt werden, vorausgesetzt, dass eine kostenaufwendige Bearbeitung vermieden wird.
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Die in den obigen Patenten beschriebenen Kupplungen erfordern jedoch einen beträchtlichen Bearbeitungsaufwand für die Bauteile, die aus Sintermetall geformt werden. Ein übermäßiges inneres Spiel, welches Lärm auf unzumutbarem Niveau erzeugen kann, ist ein potentielles Problem unter bestimmten Betriebsbedingungen bei diesen Kupplungen.
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Daher besteht ein Bedarf an einer kostengünstigen und zuverlässigen Einwegkupplung, die geringe Lagerspannungen beim Betrieb erzeugt und aus Sintermetall leicht geformt werden kann. Die Kupplung sollte einen geringen Raum einnehmen, den Lärm beim Betrieb minimieren und geringe oder gar keine Bearbeitung erfordern. Vorzugsweise sollte die gewünschte Kupplung Merkmale aufweisen, die ihre Montage in einem Antriebssystem erleichtern.
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Dies wird gemäß der Erfindung durch eine Einwegkupplung nach den Merkmalen aus dem Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Einwegkupplung gemäß der Erfindung weist einen Innenlaufring, einen Außenlaufring und schwenkbare Sperrklinken auf, welche die Laufringe in der einen Drehrichtung antreibbar miteinander verbinden und in der entgegengesetzten Richtung freilaufen lassen. Die Kupplung ist vorzugsweise aus Sintermetall geformt. Die Sperrklinken sind in einem der Laufringe derart angeordnet, dass die Kupplung eine Zentrifugalkraft anwenden kann, um den Außereingriff der Sperrklinken von einer Nutplatte in einem Freilaufzustand durch Vorspannen der Sperrklinken zum Wegschwenken von der Nutplatte zu unterstützen. Alternativ kann die Kupplung eine Zentrifugalkraft anwenden, um den Eingriff der Sperrklinken mit einer Nutplatte durch Drücken der Sperrklinken zum Schwenken in Richtung zu der Nutplatte zu unterstützen.
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Die Form einer Aussparungsplatte, welche die Sperrklinken aufnimmt, erfordert eindeutig keine zusätzlichen Bearbeitungsvorgänge für irgendeinen Zweck, so dass Agglomeratoren und Deagglomeratoren bei den Sintermetallbauteilen ausgeschlossen werden. Die Bauteile der Kupplung, die aus Sintermetall geformt sind, erfordern keine Bearbeitung nach dem Formen.
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Die Anzahl von Nuten für einen bestimmten Durchmesser ist größer als bei anderen Einwegkupplungen, wodurch das Spiel erheblich reduziert wird. Die Konstruktion eignet sich infolge deren Konfiguration für eine leichte Montage. Eine Aussparungsplatten-Unterbaugruppe enthält die Sperrklinken und eine Rückstellfeder für jede Sperrklinke. Vor ihrer Montage in der Kupplung begrenzt die Aussparungsplatten-Unterbaugruppe die Fähigkeit jeder Sperrklinke, in die Aussparung zu schwenken, und die Kraft der jeweiligen Rückstellfeder verhindert durch Drücken der Sperrklinke in den Kontakt mit ihrer Aussparung, dass die Sperrklinke seitlich aus der Aussparung austritt. Diese Anordnung ermöglicht, dass die Unterbaugruppe vor ihrem Einbau in die Kupplung mit den Sperrklinken und Federn, die bereits in der Aussparungsplatten-Unterbaugruppe eingebaut sind, zu hantieren und zu transportieren ist.
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Eine Freilauf-Einwegkupplung gemäß der Erfindung weist eine Nockenplatte, die mit Nuten versehen ist, eine Sperrklinkenplatte, die mit im gemeinsamen Winkelabstand voneinander um eine Achse angeordneten Aussparungen versehen ist, die jeweils ein offenes axiales Ende und eine Fläche aufweisen, die jede Aussparung an einem Ende verschließt, das dem offenen axialen Ende der jeweiligen Aussparung gegenüberliegt. Eine Sperrklinke ist in einer jeweiligen Aussparung für die Bewegung in Richtung zu und weg von dem Eingriff mit einer Nut der Nockenplatte angeordnet. Federn sind an der Sperrklinkenplatte abgestützt und drücken jeweils eine Sperrklinke in Richtung zu dem Eingriff mit einer Nut.
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Einzelne Flüssigkeitspassagen, die teilweise durch bogenförmige Keilnutflächen gebildet werden, und Kanäle sind vorgesehen, um Schmiermittel an kritische Flächen der Sperrklinken und Nuten zu führen. Jede Aussparung ist an dem einen axialen Ende geschlossen, um eine strukturelle Kontinuität, Steifigkeit und Festigkeit zu schaffen, um Kräfte aufzunehmen, die aus dem Eingriff der Sperrklinken mit den Nuten resultieren, wenn die Kupplung in Eingriff ist. Eine Keilzahnspitze ist in der Nähe jeder Aussparung angeordnet und relativ zu der Aussparung indiziert, um eine zusätzliche strukturelle Festigkeit und Steifigkeit zu schaffen, um diese Eingriffsbelastungen aufzunehmen.
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Eine Halteplatte, die an der Sperrklinkenplatte zur Drehung als eine Einheit befestigt ist, schließt das offene axiale Ende der Aussparungen und das offene axiale Ende von Federvertiefungen, um einen Abrieb und eine Abnutzung der Sperrklinken und Federn zu verhindern. Die Sperrklinkenplatte und die Nockenplatte haben im gegenseitigen Eingriff stehende Führungsflächen, welche deren axiale Relativbewegung während der Montage führen und eine gegenseitige Lagerabstützung schaffen, wenn sie sich relativ zueinander drehen.
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Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer nicht erfindungsgemäßen Kupplung, bei der Sperrklinken in einem Innenlaufring angeordnet sind und mit Nuten in einem Außenlaufring in Eingriff stehen;
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2 eine isometrische Ansicht der Kupplung aus 1, deren Bauteile im gemeinsamen axialen Abstand voneinander angeordnet sind;
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3 eine isometrische Ansicht der Kupplung aus 2 teilweise im Schnitt durch eine diametrale Ebene, wobei die Bauteile im Abstand voneinander zu sehen sind;
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4 eine isometrische Ansicht der Kupplung aus 2 teilweise im Schnitt durch eine diametrale Ebene, wobei die Bauteile zusammengebaut sind;
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5 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt durch eine diametrale Ebene, wobei die Bauteile zusammengebaut sind;
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6 eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Innenlaufrings mit einer Sperrklinke, einer Aussparung und einer Rückstellfeder;
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7 eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Innenlaufrings mit einer Sperrklinke, einer Aussparung, einer Rückstellfeder und einem CF-Vektor;
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8 eine Seitenansicht einer nicht erfindungsgemäßen Kupplung, bei der Sperrklinken in einem Außenlaufring angeordnet sind und mit Nuten in einem Innenlaufring in Eingriff stehen;
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9 eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Außenlaufrings mit einer Sperrklinke, einer Aussparung, einer Rückstellfeder und einem CF-Vektor;
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10 eine Seitenansicht einer Zickzack-Rückstellfeder;
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11 eine Seitenansicht einer Schrauben-Rückstellfeder;
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12 einen Schnitt einer Einwegkupplung gemäß der Erfindung entlang einer diametralen Ebene;
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13 eine Vorderansicht einer Halteplatte;
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14 eine Seitenansicht der Halteplatte aus 13;
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15 eine Teilansicht der Halteplatte in Richtung des Pfeils 15 in 13;
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16 eine Seitenansicht einer Sperrklinkenplatte aus 12 in Richtung zu dem axialen Ende, das dem offenen axialen Ende der Aussparungen gegenüberliegt;
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17 eine Seitenansicht einer Sperrklinkenplatte aus 12 in Richtung zu dem offenen axialen Ende der Aussparungen;
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18 einen Schnitt entlang der Ebene 18-18 in 16; und
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19 einen Schnitt entlang der Ebene 19-19 in 17.
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Mit Bezug auf 1 weist eine nicht erfindungsgemäße Einwegkupplung 20 eine Sperrklinkenplatte oder einen Innenlaufring 22, eine Nockenplatte oder einen Außenlaufring 24, und eine Mehrzahl von Sperrklinken 26 auf, die in jeweiligen Aussparungen 28 liegen, welche in dem Innenlaufring 22 im gemeinsamen Winkelabstand voneinander um eine Mittelachse 30 ausgebildet sind. Der Innenumfang des Außenlaufrings 24 ist mit einer Mehrzahl von Nuten 32 versehen, die im gemeinsamen Winkelabstand voneinander um die Mittelachse 30 angeordnet sind. Bei der in 1 gezeigten Kupplung gibt es zwölf Sperrklinken 26 und Aussparungen 28 sowie sechsunddreißig Nuten 32.
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Wenn sich der Innenlaufring 22 im Uhrzeigersinn schneller als der Außenlaufring 24 dreht, schwenkt infolge des Kontaktes der Sperrklinken 26 mit der radialen Innenfläche des Außenlaufrings 24 jede Sperrklinke 26 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn in ihre Aussparung 28 von dem Eingriff mit den Nuten 32 weg. Dies ermöglicht, dass sich der Innenlaufring 22 relativ zu dem Außenlaufring 24 im Uhrzeigersinn um die Mittelachse 30 frei drehen kann. Wenn der Innenlaufring 22 versucht, sich relativ zu dem Außenlaufring 24 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn zu drehen, gelangen der Innenlaufring 22 und der Außenlaufring 24 durch den Eingriff der Sperrklinken 26 mit den Nuten 32 in Eingriff oder werden gemeinsam antreibbar miteinander verbunden.
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Wenn die Kupplung 20 in Eingriff steht, überträgt jede Sperrklinke 26 infolge ihres Kontaktes mit einer Innenfläche 34 der Aussparung 28 und mit einer radial gerichteten Fläche 36 der Nut 32 eine Kraft F zwischen dem Innenlaufring 22 und dem Außenlaufring 24.
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In jeder Aussparung 28 ist eine Vertiefung 40 ausgebildet, die eine Feder, wie eine schraubenförmig gewundene Druckfeder 42 oder eine Zickzack-Druckfeder 44 aufnimmt, um die jeweilige Sperrklinke 26 zu zwingen, in ihrer Aussparung 28 in den Eingriff mit den Nuten 32 zu schwenken.
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2–5 zeigen die Kupplung mit dem Innenlaufring 22 (Sperrklinkenplatte), in dem die im Winkelabstand voneinander angeordneten Aussparungen 28 mit den Vertiefungen 40 ausgebildet sind, wobei jede Aussparung 28 die Sperrklinke 26 aufweist, welche in der jeweiligen Aussparung 28 abwechselnd mit den in der radialen Innenfläche des Außenlaufrings 24 (Nockenplatte) ausgebildeten Nuten 32 in und außer Eingriff steht. Ein Führungsring 46 aus Sintermetall ist in den Außenlaufring 24 eingepasst.
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Wie am besten aus 5 ersichtlich, kontaktiert, wenn die Kupplung 20 zusammengebaut ist, eine axiale Fläche des Führungsrings 46 eine axiale Innenfläche 48 eines Flansches 50. Die Innenfläche 48 ist mit radial gerichteten Nuten 52 versehen, welche flüssiges Schmiermittel, vorzugsweise Getriebeöl, radial nach außen zu einer radialen Innenfläche 51 des Führungsrings 46 führen. Das Öl tritt über Öffnungen 49, die in einem mit der Kupplung 20 verbundenen Antriebssystembauteil 72 ausgebildet sind, in die Radialnuten 52 ein. Das Öl läuft axial nach links über die radiale Innenfläche 51 an dem Führungsring 46 in einen radialen Raum 53, welcher das Öl radial nach außen zu einer Fläche 55 über die Breite des Innenlaufrings 22 und über die Fläche der Sperrklinken 26 führt. Der Führungsring 46 führt den Innenlaufring 22 und den Außenlaufring 24 und vermeidet eine Bearbeitung entlang der Nocken oder Nuten 32 des Außenlaufrings 22 oder von radialen Außenflächenabschnitten 66 des Innenlaufrings 22. Das Schmieröl wird genau radial entlang der Radialnuten 52 zu dem Führungsring 46 und dann axial zwischen einer Außenfläche 68 an dem Innenlaufring 22 und der Innenfläche 51 des Führungsrings 46 zu den Sperrklinken 26 geführt. Das Schmiermittel fließt entlang dieses Pfades infolge einer Zentrifugaldruckhöhe, die entwickelt wird, wenn sich die Kupplung um die Mittelachse 30 dreht.
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Die radiale Außenfläche des Außenlaufrings 24 ist mit Keilnuten 54 versehen, über welche der Außenlaufring 24 mit einem Antriebssystem antreibbar verbunden ist. Gleichermaßen ist die radiale Innenfläche des Innenlaufrings 22 mit Keilnuten 56 versehen, über welche der Innenlaufring 22 mit einem Bauteil des Antriebssystems antreibbar verbunden ist.
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Eine axiale Fläche 58 des Innenlaufrings 22 kontaktiert einen Haltering 60, welcher das axiale Ende jeder Aussparung 28 schließt und durch einen Sprengring 62 in der Position gehalten wird, welcher in eine Ausnehmung 64 eingreift, die in dem Außenlaufring 24 ausgebildet ist.
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3 und 4 zeigen die Bauteile der Kupplung 20 im Abstand voneinander angeordnet bzw. im zusammengebauten Zustand. Bei der Kupplung 20 ist der Außenlaufring 24 mit einer Trommel 72 eines Fahrzeugantriebssystems über daran ausgebildete Keilnuten 70 antreibbar verbunden.
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Mit Bezug auf 6 kann eine Sperrklinke 26 mehrere Flächen 80, 82, 84, 86, 88 und einen definierten Drehmittelpunkt 90 aufweisen. Die Sperrklinkenflächen 80 und 82 sind beide kreisförmige zylindrische Flächen, deren Kreisbögen konzentrisch zu dem Drehmittelpunkt 90 sind. Die Sperrklinkenflächen 80 und 82 führen die Drehung oder Schwenkung der Sperrklinke 26 und begrenzen diese Schwenkung auf einen Freiheitsgrad. Die Kreisbögen der beiden Sperrklinkenflächen 80 und 82 müssen derart ausreichend sein, dass der Hals- oder Stützabschnitt 92 der Sperrklinke 26 schmaler als der Gegengewichtsabschnitt ist, um die Sperrklinke 26 in der Radialrichtung von dem Drehmittelpunkt 90 zu halten.
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Die Sperrklinkenfläche 80 ist eine Führungsfläche. Wenn die Kraft F ausgeübt wird, während die Kupplung angetrieben wird und die Sperrklinken 26 mit den Nuten 32 in Eingriff stehen, wird vorzugsweise keine Reaktionskraft an der Sperrklinkenfläche 80 entwickelt. Die Sperrklinkenfläche 82 ist eine Fläche, an welcher die Reaktion auf die Kraft F entwickelt wird, wenn die Kupplung 20 ein Drehmoment zwischen dem Außenlaufring 24 und dem Innenlaufring 22 über die Sperrklinken 26 überträgt. Da die Mitte der Sperrklinkenfläche 82 in dem Drehmittelpunkt 90 liegt, wird die Reaktion auf die Kraft F entlang der auf den Drehmittelpunkt 90 bezogenen Sperrklinkenfläche 82 verteilt und erzeugt kein Drehmoment, das zum Schwenken der Sperrklinke 26 um den Drehmittelpunkt 90 tendiert.
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Die Sperrklinkenfläche 84 begrenzt die Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 im Uhrzeigersinn und unterstützt die Anordnung der Laufringe 22 und 24 mit den Aussparungen 28, den Sperrklinken 26 und den Federn 42, 44. Der Innenlaufring 22 wird durch Einsetzen einer Sperrklinke 26 in jede Aussparung 28 und Platzieren einer Feder 42, 44 in jede Vertiefung 40 für den Einbau vorbereitet. Die von der Feder 42, 44 auf die jeweilige Sperrklinke 26 ausgeübte Kraft schwenkt die Sperrklinke 26 in die in 6 gezeigte Position, wo die Sperrklinkenfläche 84 eine Grundfläche 96 der Aussparung 28 kontaktiert. Die Federkraft und ihre Reaktionskraft an der Aussparungsfläche 96 hält die Sperrklinke 26 in der Aussparung 28 ohne dem Beisein des Außenlaufringes 24 oder einer Montagehilfe. Der Innenlaufring 22, der die Sperrklinken 26 aufnimmt, kann in diesem Zustand als vorbereitete Unterbaugruppe in die Kupplung 20 eingebaut werden.
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Durch Begrenzen der Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 um den Drehmittelpunkt 90 wird eine Gegenreaktionsdrehkraft auf die Abstützung an der Sperrklinkenfläche 84 erzeugt, wenn die Kupplung 20 angetrieben wird oder in Eingriff steht. Wenn die Kupplung 20 angetrieben wird, erzeugt die auf die Sperrklinkenfläche 86 ausgeübte Kraft F ein Drehmoment im Uhrzeigersinn an der Sperrklinke 26 um den Drehmittelpunkt 90. Dem von der Kraft F erzeugten Drehmoment um den Drehmittelpunkt 90 wirkt eine Kraft P1 entgegen, wo die Sperrklinkenfläche 84 die Aussparungsfläche 96 kontaktiert. Ohne die Sperrklinkenfläche 84 würde das gesamte Reaktionsdrehmoment anderswo wirken. Wenn zum Beispiel die gesamte Torsionsreaktion auf die Kraft F an der Sperrklinkenfläche 88 einwirken würde, könnte eine große Ringspannung an dem durch die Sperrklinkenfläche 88 kontaktierten Außenlaufring 24 erzeugt werden, was infolge eines hohen Einfallswinkels der Reaktionskraft zu einer Scherung an der Wand des Außenlaufrings 24 führt. Wenn die Torsionsreaktion auf die Kraft F an der Sperrklinkenfläche 82 einwirken würde, könnte diese auf den Rand des Innenlaufrings 22 an seiner schwächsten Stelle ausgeübt werden. Vorzugsweise wird die Torsionsreaktion auf die Kraft F senkrecht zu der Aussparungsfläche 96 an die Sperrklinkenflächen 84 und 82 gelegt, wo infolge des Kontaktes mit der Aussparung 28 Reibung erzeugt wird.
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Die Sperrklinkenfläche 86 ist die Fläche, an welcher die Kraft F ausgeübt wird, wenn die Kupplung 20 angetrieben wird und die Sperrklinken 26 mit den Radialflächen 36 der Nuten 32 in Eingriff stehen. Die Sperrklinkenfläche 86 führt diese Funktion aus, indem sie einen mechanischen Eingriff erzeugt, wenn die Sperrklinke 26 in die Eingriffsposition geschwenkt wird.
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Die Sperrklinkenfläche 88, die an dem Umriss eines Stützabschnitts 92 der Sperrklinke 26 liegt, kontaktiert den Scheitelpunkt 98 der Radialflächen 36 der Nuten 32, um sicherzustellen, dass kein Eingriff auftritt, wenn die Kupplung 20 freiläuft und die Sperrklinken 26 von den Nuten 32 außer Eingriff sind. Die Sperrklinkenfläche 88 ist gekrümmt, um die Bildung eines Schmiermittelfilms zu erleichtern, wenn die Kupplung 20 freiläuft, und um den Zusammenstoß mit den Scheitelpunkten 98 beim Freilaufen der Kupplung 20 durch Schaffung von Übergangspositionen zu minimieren, was das Maß der Schwenkung der Sperrklinke 26 in die Aussparung 28 relativ zu dem Maß der Drehung des Außenlaufrings 24 minimiert. Dies minimiert die Winkelbeschleunigung an der Sperrklinke 26, wenn die Kupplung 20 freiläuft.
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Der Massenschwerpunkt 100 der Sperrklinke 26 kann in Bezug auf den Drehmittelpunkt 90 derart gelegt werden, dass die Zentrifugalkraft je nachdem, ob die Sperrklinke 26 an dem Außenlaufring 24 oder dem Innenlaufring 22 angeordnet ist, zum Eingriff oder Außereingriff mit der Sperrklinke 26 tendiert.
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Mit Bezug auf 7 liegt der Massenschwerpunkt 100 von einer die Mittelachse 30 mit dem Drehmittelpunkt 90 verbindenden Linie nach rechts, und die Sperrklinke 26 wird in der Aussparung 28 geführt, die in dem Innenlaufring 22 ausgebildet ist. Wenn sich die Kupplung 20 um die Mittelachse 30 dreht, ist die Zentrifugalkraft an der Sperrklinke 26 radial nach außen entlang einer Linie 102 ausgerichtet, die durch die Mittelachse 30 und den Massenschwerpunkt 100 verläuft, wodurch die Sperrklinke 26 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um den Drehmittelpunkt 90 schwenkt. Diese Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn ist der Kraft der Feder 42, 44 entgegengerichtet und schwenkt die Sperrklinkenfläche 86 von dem Kontakt mit der Aussparungsfläche 36 an dem Außenlaufring 24 weg. Die Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn bewegt die Sperrklinke 26 in eine Außereingriffsposition und ermöglicht, dass der Innenlaufring 22 freiläuft und die Kupplung 20 außer Eingriff ist. Die Größe des Moments um den Drehmittelpunkt 90, das ein Zusammendrücken der Feder 42, 44 und ein Schwenken der Sperrklinke 26 in die Außereingriffsposition bewirkt, variiert mit der Drehzahl des Innenlaufrings 22 und dem Abstand des Massenschwerpunkts 100 von dem Drehmittelpunkt 90.
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Alternativ kann der Massenschwerpunkt von der die Mittelachse 30 mit dem Drehmittelpunkt 90 verbindenden Linie nach links gelegt sein, wenn die Sperrklinke 26 in der Aussparung 28 geführt wird, die in dem Innenlaufring 22 ausgebildet ist. In diesem Falle bewirkt, wenn sich die Kupplung 20 um die Mittelachse 30 dreht, die Zentrifugalkraft an der Sperrklinke 26 eine Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 im Uhrzeigersinn um den Drehmittelpunkt 90. Diese Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 im Uhrzeigersinn trägt zu der Wirkung der Kraft der Feder 42, 44 bei und bewegt die Sperrklinkenfläche 86 in Kontakt mit der Radialfläche 36 an dem Außenlaufring 24, d.h. sie schwenkt die Sperrklinke 26 in die Eingriffsposition und bewirkt einen Eingriff der Kupplung 20.
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8 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Kupplung 120. Die Kupplung 120 weist eine Nockenplatte oder einen Innenlaufring 122, eine Sperrklinkenplatte oder einen Außenlaufring 124, und eine Mehrzahl von Sperrklinken 126 auf, die in jeweiligen Aussparungen 128 liegen, welche in dem Außenlaufring 24 im gemeinsamen Winkelabstand voneinander um eine Mittelachse 130 ausgebildet sind. Der Außenumfang des Innenlaufrings 122 ist mit einer Mehrzahl von Nocken oder Nuten 132 versehen, die im gemeinsamen Winkelabstand voneinander um die Mittelachse 30 angeordnet sind. Bei der in 8 gezeigten Kupplung gibt es neun Sperrklinken 126 und Aussparungen 128 sowie sechsunddreißig Nuten 132.
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Wenn sich der Außenlaufring 124 im Uhrzeigersinn schneller als der Innenlaufring 122 dreht, schwenkt infolge des Kontaktes der Sperrklinken 126 mit der radialen Außenfläche des Innenlaufrings 122 jede Sperrklinke 126 im Uhrzeigersinn in ihre Aussparung 128 von dem Eingriff mit den Nuten 132 weg. Dies ermöglicht, dass sich der Außenlaufring 124 relativ zu dem Innenlaufring 122 im Uhrzeigersinn um die Mittelachse 130 frei drehen kann. Wenn der Außenlaufring 124 versucht, sich relativ zu dem Innenlaufring 122 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn zu drehen, gelangen der Innenlaufring 122 und der Außenlaufring 124 durch den Eingriff der Sperrklinken 126 mit den Nuten 132 in Eingriff oder werden gemeinsam antreibbar miteinander verbunden.
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Wenn die Kupplung 120 in Eingriff steht, überträgt jede Sperrklinke 126 infolge ihres Kontaktes mit einer Innenfläche 134 der Aussparung 128 und mit einer radial gerichteten Fläche 136 der Nut 132 eine Kraft F1 zwischen dem Innenlaufring 122 und dem Außenlaufring 124.
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In jeder Aussparung 128 ist eine Vertiefung 140 ausgebildet, die eine Feder, wie eine schraubenförmig gewundene Druckfeder 142 oder eine Zickzack-Druckfeder 144 aufnimmt, um die jeweilige Sperrklinke 126 zu zwingen, in ihrer Aussparung 128 in den Eingriff mit den Nuten 132 zu schwenken.
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Mit Bezug auf 9 liegt bei der Kupplung 120 der Massenschwerpunkt 150 jeder Sperrklinke 126 von einer die Mittelachse 130 mit dem Drehmittelpunkt 152 verbindenden Linie nach rechts. Wenn sich der Außenlaufring 124 um die Mittelachse 130 dreht, ist die Zentrifugalkraft an der Sperrklinke 126 radial nach außen entlang einer Linie 154 ausgerichtet, die durch die Mittelachse 130 und den Massenschwerpunkt 150 verläuft, wodurch die Sperrklinke 126 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um den Drehmittelpunkt 152 schwenkt. Diese Schwenkbewegung der Sperrklinke 126 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn wirkt mit der Kraft der Feder 142, 144 zusammen und schwenkt die Sperrklinke 126 in eine Eingriffsposition mit der Aussparungsfläche 136, so dass die Kupplung 120 in Eingriff gebracht ist.
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Alternativ kann bei der Kupplung 120 der Massenschwerpunkt 150 von der die Mittelachse 130 mit dem Drehmittelpunkt 152 verbindenden Linie nach links gelegt sein. In diesem Falle bewirkt, wenn sich der Außenlaufring 124 um die Mittelachse 130 dreht, die Zentrifugalkraft an der Sperrklinke 126 eine Schwenkbewegung der Sperrklinke 126 im Uhrzeigersinn um den Drehmittelpunkt 152. Diese Schwenkbewegung der Sperrklinke 126 im Uhrzeigersinn ist der Wirkung der Kraft der Feder 142, 144 entgegengerichtet und bewegt die Sperrklinkenfläche 186 von dem Kontakt mit der Radialfläche 136 an dem Innenlaufring 122 weg, d.h. sie schwenkt die Sperrklinke 126 in eine Außereingriffsposition und ermöglicht ein Freilaufen der Kupplung 120 und deren Außereingriff.
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Mit Bezug auf 12 weist eine Einwegkupplung gemäß der Erfindung eine Nockenplatte 160 auf, die mit Nuten 162, einem radialen Flansch 164, der an einem axialen Ende der Nockenplatte 160 angeordnet ist, und einer Ausnehmung 166 versehen ist, die an dem gegenüberliegenden axialen Ende der Nockenplatte 160 ausgebildet ist.
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Eine Sperrklinkenplatte 168 ist mit mehreren Aussparungen 170 versehen, die im gleichen Winkelabstand voneinander um eine Mittellängsachse 172 angeordnet sind, wobei jede Aussparung 170 eine Sperrklinke 174 aufnimmt. Jede Aussparung 170 ist an dem einen axialen Ende durch eine Fläche 176 blind verschlossen und an dem gegenüberliegenden axialen Ende 177 offen. Wie in 1 weist jede Aussparung 170 in ihrem radialen Außenumfang eine Öffnung auf, durch welche die Sperrklinke 174 hindurch tritt, wenn sie sich bewegt, um mit den Nuten, die den Aussparungen zugewandt sind, in und außer Eingriff zu gelangen. Das axiale Ende 177 der Aussparung 170 ist durch eine Halteplatte 178 abgedeckt, welche die Aussparung 170 und die Vertiefungen 40 für die Federn 42, 44 verdeckt.
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Die Nockenplatte 160 ist mit einer inneren, axial gerichteten zylindrischen Fläche 180 versehen, und die Sperrklinkenplatte 168 ist mit einer äußeren, axial gerichteten zylindrischen Fläche 182 versehen, an welcher die Nockenplatte 160 zur Axialbewegung in die in 12 gezeigte Montageposition geführt wird. Nach dem Einbau sind die Flächen 180, 182 im gegenseitigen Eingriff miteinander und schaffen eine Lagerabstützung für die Relativdrehung der Nockenplatte 160 und der Sperrklinkenplatte 168. Ein Haltering 184 sitzt in der Ausnehmung 166, um die Sperrklinkenplatte 168 gegen die Axialbewegung relativ zu der Nockenplatte 160 nach deren Montage und während des Betriebs zu sichern.
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13–15 zugewandt, ist die Halteplatte 178 ein im Wesentlichen ebener kreisförmiger Ring 190, dessen axiale Innenfläche benachbart zu dem offenen axialen Ende 177 der Aussparungen 170 liegt. Im Winkelabstand angeordnete Laschen 192 erstrecken sich axial von der Fläche des Rings 190 zu der Sperrklinkenplatte 168, an welcher die Halteplatte 178 zur Drehung mit der Sperrklinkenplatte 168 befestigt ist. Ein Innenumfang 194 der Halteplatte 178 hat einen Umriss wie eine Keilverzahnung mit abwechselnden Spitzen und Tälern, die im Winkelabstand voneinander um die Achse 172 angeordnet sind. 15 zeigt eine typische axial gerichtete Lasche 192, die sich von der Ebene der Fläche 190 der Halteplatte 178 und benachbarten Profilausnehmungen 191 erstreckt, welche das Biegen der Laschen 192 in die Position erleichtern.
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Mit Bezug auf 16 ist die Fläche 196 der Sperrklinkenplatte 168, die dem offenen axialen Ende 177 der Aussparungen 170 axial gegenüberliegt, an ihrer radialen Innenfläche mit einer inneren Keilverzahnung versehen, welche sich axial über die Sperrklinkenplatte 168 erstreckt. Der Umriss der Keilverzahnung weist abwechselnde Spitzen 202 und Täler 204 auf, die im Winkelabstand voneinander um die Achse 172 angeordnet und über Zahnflächen 203 miteinander verbunden sind. Die innere Keilverzahnung, welche einen Außendurchmesser 206 hat, steht mit einer äußeren Keilverzahnung an einem Bauteil im antreibbaren Eingriff. Die Täler 204 der Keilverzahnung haben jeweils eine bogenförmige Basis, die einen Raum für eine Flüssigkeitspassage 208 zwischen dem Außendurchmesser 206 und der Basis des Tals 204 schafft.
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18 zeigt, dass die Flüssigkeitspassagen 208 axial über die Sperrklinkenplatte 168 von der Fläche 196 zu dem offenen axialen Ende 177 jeder Aussparung 170 und von der Achse 172 radial nach außen gerichtet sind. Ein flüssiges Schmiermittel, das in den Flüssigkeitspassagen 208 zu der Halteplatte 178 geführt wird, fließt zwischen einer Sperrklinkenplattenfläche 210 und einer axialen Innenfläche 212 der Halteplatte 178 in die Aussparung 170 und radial nach außen gegen die Nuten 162 der Nockenplatte 160. Auf diese Art und Weise werden die Sperrklinke, die Aussparung und die Nuten kontinuierlich geschmiert.
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Mit Bezug auf 17 und 19 ist die Fläche 210 der Sperrklinkenplatte 168, welche der Fläche 196 axial gegenüberliegt, mit im Winkelabstand angeordneten radialen Kanälen 216 versehen, die jeweils zwischen aufeinanderfolgenden benachbarten Aussparungen 170 angeordnet sind. Jeder Kanal 216 erstreckt sich von den Tälern 204 der Keilverzahnung radial über die Fläche 210 und wird von der Halteplatte 178 abgedeckt. Das flüssige Schmiermittel, das die Kanäle 216 verlässt, wird radial nach außen gegen die Flächen der Nuten 162 an der Nockenplatte 160 geführt.
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Die axiale Fläche 210 ist auch mit im Winkelabstand voneinander angeordneten Laschenausnehmungen 220 versehen, welche derart angeordnet und bemessen sind, dass sie die Laschen 192 der Halteplatte 178 aufnehmen. Wenn die Laschen 192 mit den Ausnehmungen 220 in Eingriff stehen, ist die Halteplatte 178 benachbart zu der axialen Fläche 210 der Sperrklinkenplatte 168 angeordnet, und die Halteplatte 178 ist an der Sperrklinkenplatte 168 derart befestigt, dass sie sich als eine Einheit drehen.
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Wenn die Kupplung in Eingriff ist, steht zumindest eine Sperrklinke in einer Aussparung 170 der Sperrklinkenplatte 168 mit einer Nut 162 in der Nockenplatte 160 in Eingriff, und eine Kraft F wird auf die Sperrklinke 174 ausgeübt, wie in 1 gezeigt ist. Die äußeren Kräfte, die auf die in Eingriff stehende Sperrklinke ausgeübt werden, werden an eine Ecke der jeweiligen Aussparung 170 übertragen, wo die Resultierende der ausgeübten Kräfte H auf die Sperrklinkenplatte 168 einwirkt.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung ist die innere Keilverzahnung an dem radialen Innenumfang der Sperrklinkenplatte 168 im Winkel um die Achse 172 und relativ zu der Ecke jeder Aussparung 170 derart positioniert und indiziert, dass die Spitze 202 der Keilverzahnung an einer Verlängerung der Wirkungslinie der von dem Vektor H dargestellten Kraft liegt. Die Wirkungslinie der Kraft H erstreckt sich von dem Mittelpunkt an der Fläche 86 einer mit einem Nocken 36 in Eingriff stehenden Sperrklinke 26 zu der gegenüberliegenden Ecke der Aussparung, wo die von dem Nocken ausgeübte Eingriffskraft auf die Aussparungswand einwirkt. Wie 17 zeigt, ist die bevorzugte Lage der Spitze 202 der Keilverzahnung derart, dass die Wirkungslinie der Kraft H durch die Spitze 202 im Punkt 224 im Wesentlichen in der Mitte zwischen den winkligen Enden der Spitze 202 verläuft.
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Um sicherzustellen, dass die Spitze 202 der Keilverzahnung so positioniert und indiziert ist, dass der gewünschte strukturelle Vorteil geschaffen wird, der sich durch ihre richtige Lage ergibt, wird die Spitze 202 der Keilverzahnung radial unter die nächstliegende Aussparung 170 und deren Ecke und im Winkel versetzt zu diesen angeordnet, und das Tal 204 der Keilverzahnung, das der jeweiligen Aussparung 170 am nächsten liegt, wird radial unter die Aussparung 170 und im Winkel zu dieser ausgerichtet angeordnet.
