DE102006026774A1

DE102006026774A1 - Reibschlüssige Freilaufkupplung

Info

Publication number: DE102006026774A1
Application number: DE102006026774A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Jackwerth; Thomas Heubach
Original assignee: Ringspann GmbH
Current assignee: Ringspann GmbH
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2006-06-07
Publication date: 2007-12-13
Also published as: US7870940B2; JP2007327643A; US20070284208A1

Abstract

Reibschlüssige Freilaufkupplung mit einem Außenring, einem dazu etwa konzentrischen Innenring und mehreren im Ringspalt zwischen Innen- und Außenring angeordneten Klemmkörpern, die eine Relativdrehung zwischen Innen- und Außenring in der einen Richtung blockieren, in der anderen Richtung freigeben. Wesentlich dabei ist, dass die Klemmkörper und/oder die Laufbahnen des Innen- und/oder Außenringes eine reibwerterhöhende Beschichtung aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft eine reibschlüssige Freilaufkupplung mit einem Außenring, einem dazu etwa konzentrischen Innenring und mehreren im Ringspalt zwischen Innen- und Außenring angeordneten Klemmkörpern, die eine Relativdrehung zwischen Innen- und Außenring in der einen Richtung blockieren, in der anderen Richtung freigeben.
Derartige Freilaufkupplungen, die auch als Überholkupplungen, Rücklaufsperren oder Vorschubfreiläufe bezeichnet werden, arbeiten nach dem bekannten Prinzip, dass die Klemmkörper eine Relativdrehung zwischen Innenring und Außenring in der einen Richtung blockieren, indem sie reibschlüssig vom Innen- und/oder vom Außenring mitgenommen werden, so dass sie sich zwischen Innenring und Außenring verklemmen. Bei einer Relativdrehung in Gegenrichtung werden die Klemmkörper hingegen aus der Klemmposition gelöst.
Dabei wird zwischen zwei Bauarten unterschieden, nämlich zwischen Klemmstückfreiläufen und Klemmrollenfreiläufen. Bei den Klemmstückfreiläufen haben Innenring und Außenring kreiszylindrische Laufbahnen und die Klemmstücke ein nicht- rotationssymmetrisches, nockenähnliches Profil. Bei einer Relativdrehung zwischen Innen- und Außenring in Blockierrichtung stellen sich die Klemmstücke auf und verkeilen sich im Ringspalt zwischen Innen- und Außenring.
Bei den Klemmrollenfreiläufen sind hingegen am Innen- oder Außenring Klemmrampen angeordnet, an denen die zylindrischen Klemmrollen bei einer Relativdrehung in Blockierrichtung hochlaufen und sich reibschlüssig zwischen Innen- und Außenring verspannen.
Um eine ständige Eingriffsbereitschaft zu gewährleisten, werden die Klemmkörper durch eine Feder leicht gegen die Laufbahnen von Innenring- und Außenring gedrückt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf beide Freilauf-Bauformen. Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die bekannten Freilaufkupplungen hinsichtlich des übertragbaren Drehmomentes zu verbessern wie auch die Sicherheit gegen Durchrutschen zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Klemmkörper und/oder die Laufbahnen von Innen- und Außenring eine reibwerterhöhende Beschichtung aufweisen.
Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Klemmkörper eine höhere Sperrwirkung erzeugen und die Grenze, wo die Klemmkörper durchzurutschen beginnen, erhöht wird. Dadurch kann der Freilauf eine höheres Drehmoment übertragen, ohne dass er stärker dimensioniert werden muss.
Größere Herstellungstoleranzen sowohl bei den Klemmkörpern als auch bei den Laufbahnen sind ebenfalls möglich, weil sich zwar auch kleinere Variationen bei der Herstellung immer noch eventuell reibvermindernd auswirken können, insgesamt jedoch ermöglicht das höhere Reibungsniveau ausreichende Reserven für die Klemmwirkung, insbesondere bei Rundlauffehlern zwischen Innen- und Außenring.
Es ist zwar bereits aus der US 4878570 bekannt, bei reibschlüssigen Freilaufkupplungen die Klemmkörper durch Ionen-Implantation an ihren Klemmflächen zu behandeln, indem Stickstoff-Ionen eingelagert werden. Diese StickstoffIonen beseitigen Fehlstellen im Oberflächengefüge und bewirken eine Härtung und Verfestigung. Hinweise auf eine Beeinflussung des Reibwertes, insbesondere im Sinne einer Reibwerterhöhung sind dieser Schrift nicht zu entnehmen.
Zweckmäßigerweise besteht die Beschichtung zumindest teilweise aus in die Klemmflächen, insbesondere in die Klemmkörperoberfläche eingelagerten Partikeln besteht. Hierbei kommen insbesondere Korund- und Diamantpartikel sowie verschiedene Karbidpartikel, insbesondere Siliziumkarbid-, Wolframkarbid- oder Borkarbidpartikel in Betracht. Gemeinsam ist ihnen, dass sie zu den härtesten verfügbaren Materialien zählen und somit dauerhaft erhöhte Reibwerte gewährleisten. Diese Partikel lassen sich zudem auch leicht mit bereits bekannten Verfahren, beispielsweise durch Einlagerung in einer Nickel-Matrix verwenden. Die chemische Vernickelung bietet die Gewähr für eine gleichmäßige, genau vorauswählbare Schichtdicke, so dass die Grundkörper-Geometrie nicht verändert wird. Eine Beschichtung mit Diamantpartikeln ist zudem vorteilhaft, da hier eine Wärmebehandlung vorgenommen werden kann, welche bewirkt, dass die Anbindung der Diamantpartikel an das Grundmaterial optimiert werden kann. Die Lebensdauer der Beschichtung der Klemmkörper kann so durch ein einfaches und kostengünstiges Verfahren gesteigert werden. Es sind jedoch auch andere Beschichtungsverfahren oder andere Partikel zur Reibwerterhöhung denkbar.
Außerdem empfiehlt es sich, das Profil der Klemmkörper – oder bei Verwendung von Klemmrollen das Profil am Innen- und/oder Außenring – in den Bereichen, die in Kontakt mit der Laufbahn des Innen- und/oder Außenringes sind, so abzuändern, dass der Klemmwinkel-Verlauf maximale Klemmwinkel tan ε größer 0,12, insbesondere größer 0,15, vorzugsweise größer 0,2 aufweist. Durch diese hohen Klemmwinkel wirken geringere Normalkräfte auf die Laufbahnen bei gleichem Drehmoment, so dass geringere Hertz'sche Pressungen an den Kontaktstellten Klemmkörper/Laufbahn entstehen. Somit erhöht sich die Lebensdauer der Freilaufkupplung oder bei gleicher Schaltgebrauchsdauer können größere Drehmomente übertragen werden.
Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, die Reibwert-Erhöhung in Kombination mit fliehkraftabhebenden Klemmkörpern zu realisieren, weil dadurch die reibwerterhöhende Beschichtung im Leerlauf-Betrieb keinen erhöhten Verschleiß verursachen kann. Dieses Abheben durch Fliehkraft kann sowohl vom Innen- wie auch vom Außenring erfolgen. Im letztgenannten Fall sind die Klemmkörper an einer Abstützung, etwa einem Stütz ring gelagert, der die Fliehkräfte aufnimmt. Somit erlaubt die Verwendung fliehkraftabhebender Klemmstücke eine erhöhte Drehmoment-Übertragung und/oder Lebensdauer, ohne dass sich die Reibwert-Erhöhung im Leerlauf negativ auswirkt. Bei Freiläufen dieser Bauart lassen sich also die Vorteile einer reibwerterhöhenden Schicht am besten nutzen.
Ein Verfahren zur Herstellung der beschichteten Klemmkörper ist dadurch gekennzeichnet, dass reibwerterhöhende Partikel im Mikrobereich in die Klemmflächen des Klemmkörpers und/oder des Innen- oder Außenringes eingebracht, insbesondere eingedrückt werden.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und aus der Zeichnung; dabei zeigt:
1: einen radialen Teilschnitt einer Freilaufkupplung mit Klemmkörpern in Form von nicht rotationssymmetrischen Klemmstücken;
2: einen Vergleich zwischen einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Klemmstückgeometrie;
3: Klemmwinkelverläufe eines unbeschichteten Klemmkörpers und einer erfindungsgemäß beschichteten und in seiner Profilgeometrie optimierten Klemmkörpers;
4: eine Übersicht über die Reibverhältnisse;
5: ein Schrägbild eines Freilaufes mit Fliehkraft-Abhebung vom Außenring;
6: einen Teilschnitt wie 1, jedoch bei einem Klemmrollen-Freilauf.
In 1 ist ein radialer Teilschnitt eines Freilaufes mit den wesentlichen Bestandteilen einer reibschlüssigen Freilaufkupplung gezeigt. Der Freilaufaußenring 1 bildet mit seinem Innenzylinder die äußere Laufbahn 3, der Freilauf innenring 2 mit seinem Außenzylinder die innere Laufbahn 4. Zwischen Innen- und Außenring befinden sich zahlreiche kippbar angeordnete Klemmkörper, von denen hier der Klemmkörper 6 sichtbar ist, der sich mit seiner inneren Klemmfläche 8 an der Innenlaufbahn 4 und mit seiner äußeren Klemmfläche 9 an der Außenlaufbahn 3 verspannen kann. Dabei ist der Abstand zwischen den Laufbahnen 3, 4, d.h. die Radiusdifferenz zwischen Radius des Innen- bzw. Außenzylinders 3, 4 durch die Spalthöhe 5 gegeben. Außen- und Innenring sowie Klemmkörper bestehen aus Stahl.
Erfindungsgemäß ist die Oberfläche 7 der Klemmkörper 6 zumindest an den Klemmflächen 8, 9 mit einer reibwerterhöhenden Beschichtung versehen.
In 2 sind zwei verschiedene Klemmkörper 20 und 21 dargestellt:
Ein üblicher Klemmkörper 20 ohne reibwerterhöhende Beschichtung mit einem herkömmlichen Oberflächenprofil 20a, das einen maximalen Klemmwinkel tan ε von etwa 0,1 erreicht und ein zweiter Klemmkörper 21 mit einer erfindungsgemäßen reibwerterhöhenden Beschichtung und einem neuen Klemmkörperprofil 21a, das einen maximalen Klemmwinkel tan ε von etwa 0,3 aufweist. Das neue Klemmkörperprofil 21a wird dadurch erzeugt, dass zumindest eine der Klemmflächen einen wesentlich größeren Krümmungsradius hat als bisher; im Ausführungsbeispiel ist dies der Krümmungsradius R_a2 der äußeren Klemmfläche 9. Entsprechend vergrößert sich der Versatz C₂ zwischen den für die Klemmflächen maßgeblichen Krümmungsmittelpunkten. Diese geänderte Profilgeometrie ist ursächlich für die Erzielung höherer Klemmwinkel.
In 3 sind die entsprechenden Klemmwinkelverläufe 20b, 21b jeweils für die Klemmstücke 20 bzw. 21 graphisch dargestellt. Man erkennt deutlich, dass sich durch die Beschichtung und die andere Profilform ein erheblich steilerer Anstieg des Klemmwinkels ε über der Klemmspalthöhe ergibt und daraus resultierend eine starke Zunahme des maximal übertragbaren Drehmomentes.
4 verdeutlicht die geschilderten Zusammenhänge zwischen der Beschichtung und der neuen Profilgeometrie: Die Kurve 30a zeigt den Klemmwinkelverlauf eines unbeschichteten und eines erfindungsgemäß beschichteten Klemm körpers mit gleichem Profil. Der Klemmwinkelverlauf ist für beide Klemmkörper identisch, da ihre Geometrie unverändert geblieben ist.
Die Kurve 31a zeigt den Haftreibwert im Einschaltpunkt, die Kurve 31b den Haftreibwert im Hochleistungsbereich. Dieser Haftreibwert ist im Einschaltbereich viel niedriger als im Hochlastbereich, weil zu Beginn der Drehmomentübertragung noch ein Schmierfilm an den Kontaktstellen vorhanden ist, der zunächst durchstoßen werden muss.
Die Kurven 32a und 32b zeigen den Haftreibwert im Einschaltpunkt bzw. im Hochlastbereich für einen erfindungsgemäß beschichteten Klemmkörper. Man sieht deutlich, dass die Haftreibwerte höher sind als im unbeschichteten Zustand. Diese Steigerung stellt eine Erhöhung der Sicherheit gegen frühzeitiges Durchrutschen dar. Diese Sicherheit kann dadurch optimal ausgeschöpft werden, dass die Klemmgeometrie der Klemmkörper oder der Klemmrampen im Sinne eines höheren maximalen Klemmwinkels ε verändert wird.
5 zeigt die Anwendung der Erfindung bei Klemmkörpern, die sich unter Fliehkraft-Einfluss vom stillstehenden Außenring abheben können. Dazu sind die Klemmkörper 21 in einem Käfigring 22 schwenkbar gelagert, wobei sie sich über beidseits vorstehende Rampen 21a an der zylindrischen Innenfläche des Außenringes 22a abstützen. Die Geometrie der Klemmkörper 21 ist so gewählt, dass ihr Schwerpunkt gegenüber der Schwenkachse seitlich versetzt ist, so dass sie ab einer bestimmten Freilauf-Drehzahl unter dem Fliehkraft-Einfluss eine Schwenkbewegung ausführen, die zum Abheben der äußeren Klemmkörper-Klemmflächen 9 von dem in der Zeichnung nicht dargestellten Freilauf-Außenring führt. Hingegen steht der die Klemmkörper enthaltende Käfig in reibschlüssigem Kontakt mit dem Freilauf-Innenring und wird von ihm mitgenommen. Im Ergebnis läuft der Käfigring also mit dem Innenring um, ohne dass Kontakt zwischen den Klemmkörpern und dem stillstehenden Außenring besteht. Die reibwerterhöhende Beschichtung führt also nicht zu einem erhöhten Verschleiß.
6 zeigt nur der Vollständigkeit halber die Anwendung der Erfindung bei einem Klemmrollenfreilauf. Dabei bestehen die Klemmkörper aus zylindrischen Rollen 23, während die Laufbahnen des Innenringes (linke Hälfte von 6) oder des Außenringes (rechte Hälfte von 6) Rampen 24 aufweisen, die als Klemmflächen den Ringspalt 5 verengen und in bekannter Weise eine Relativdrehung zwischen Innen- und Außenring in der einen Richtung gestatten, in der anderen Richtung hingegen blockieren.
Auch bei derartigen Freiläufen kann die erfindungsgemäße Beschichtung an den Klemmrollen und/oder den Laufbahnen von Innen- und Außenring, zumindest an deren Rampen 24, aufgebracht sein.

Claims

Reibschlüssige Freilaufkupplung mit einem Außenring (1), einem dazu etwa konzentrischen Innenring (2) und mehreren im Ringspalt (5) zwischen Innen- und Außenring angeordneten Klemmkörpern (6, 21, 23), die eine Relativdrehung zwischen Innen- und Außenring in der einen Richtung blockieren, in der anderen Richtung freigeben, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (6, 21, 23) und/oder die Laufbahnen des Innen- und Außenringes (3, 4) eine reibwerterhöhende Beschichtung aufweisen.
Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung zumindest teilweise aus in die Klemmkörperoberfläche (7) eingelagerten Korund-, Diamant- oder Carbidpartikeln, insbesondere Siliziumcarbid-, Wolframcarbid- oder Borcarbidpartikeln, besteht.
Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei nicht-rotationssymmetrischen Klemmkörpern (6, 21) deren Profilgeometrie und bei Klemmrollen das Profil am Innen- oder Außenring an den jeweiligen Klemmflächen (8, 9, 24) einen Klemmwinkel-Verlauf mit maximalen Klemmwinkeln tan ε > 0,12, insbesondere > 0,15, vorzugsweise > 0,2 aufweist.
Freilaufkupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der ansteigende Ast der Klemmwinkel-Kurve bei tan ε ≤ 0,05 beginnt und mindestens bis etwa 0,25, vorzugsweise etwa 0,3 ansteigt.
Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil (7) der Klemmkörper in den Bereichen (8, 9), die in Kontakt mit einer Laufbahn sind, so ausgeführt ist, dass bei Eingriff des Freilaufes ein Klemmwinkel von tan ε ≥ 0,05, vorzugsweise ≥ 0,06 zur Wirkung kommt.
Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (21) fliehkraftabhebend angeordnet sind.
Freilaufkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die vom Außenring fliehkraftabhebenden Klemmkörper (21) an einer die Fliehkräfte aufnehmenden Abstützung (22) abstützen.
Freilaufkupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Klemmkörper (21) über seitliche Rampen (21a) oder einen Schlitz an einem Käfig (22) oder einem Stützring abstützen.
Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmkörper (6) in einem Gleit- oder Rollenlager angeordnet sind.
Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Außenring (1) und Innenring (2) zylindrisch und die Klemmkörper (6, 21) nockenähnlich ausgebildet sind.
Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Außenring (1) und/oder Innenring (2) Klemmrampen (24) im Ringspalt aufweisen und die Klemmkörper (23) rollen- oder kugelförmig ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung einer Freilaufkupplung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass reibwerterhöhende Partikel im Mikrobereich in die Klemmflächen des Klemmkörpers (6, 21, 23) und/oder in die Laufbahnoberfläche (3, 4) des Innen- und Außenringes (1, 2) eingedrückt werden.