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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 zufriedenstellend, jedoch erfordern bestimmte Anwendungen, wie jene, bei welchen hohe Drehmomente von der Kupplung übertragen werden, oder jene, die nur einen geringen Raum für die Kupplung bereitstellen, 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 im
US-Patent 5,070,978 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 zusammenwirkenden 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 sich frei relativ zu dem Abtriebselement. Die Knickfestigkeit der Stütze, welche die Torsionsbelastung zwischen den Laufringen überträgt, ist ein wichtiger Faktor bei der Konstruktion.
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Das
US-Patent 5,954,174 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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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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Die
DE 20 2005 000 114 U1 offenbart eine Freilauf-Einwegkupplung, aufweisend eine Nockenplatte mit Nockenflächen, eine Sperrklinkenplatte mit Aussparungen, eine Mehrzahl von Sperrklinken, die in den Aussparungen abgestützt sind, und Federn, die an der Sperrklinkenplatte abgestützt sind und die Sperrklinken in Richtung zu dem Eingriff mit den Nockenflächen drängen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Freilauf-Einwegkupplung zu schaffen, bei der eine verbesserte geführte Bewegung der Sperrklinke beim Betrieb sowie eine verbesserte Schmierung ermöglicht werden.
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Dies wird gemäß der Erfindung durch eine Freilauf-Einwegkupplung nach den Merkmalen aus dem Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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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 Kupplung, die keine Ausführungsform der Erfindung ist, 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 Kupplung, die keine Ausführungsform der Erfindung ist, 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, die keine Ausführungsform der Erfindung ist, 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;
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19 einen Schnitt entlang der Ebene 19-19 in 17;
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20 eine Seitenansicht einer alternativen Nockenplatte;
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21 einen Schnitt durch eine diametrale Ebene einer Nockenplatte und einer Sperrklinkenplatte, die zur geführten Anordnung an Lagerflächen positioniert ist;
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22 eine teilweise Seitenansicht der Einwegkupplung, bei der die Aussparungsplatte in der Nockenplatte installiert ist;
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23 eine Vorderansicht einer Sperrklinke gemäß der Erfindung;
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24 eine Seitenansicht der Sperrklinke aus 23;
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25 eine teilweise Seitenansicht der Einwegkupplung gemäß der Erfindung, wobei die Sperrklinkenplatte in der Nockenplatte installiert ist, eine Sperrklinke in einer Aussparung angeordnet ist, und die Sperrklinke außer Eingriff von den Nocken ist und an diesen freiläuft, wenn sich die Nocken entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn relativ zu der Sperrklinkenplatte drehen;
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26 eine teilweise Seitenansicht der Einwegkupplung wie in 25, wobei eine Sperrklinke um die Kontaktfläche eines Nockens herum in Eingriff gelangt;
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27 eine teilweise Seitenansicht der Einwegkupplung wie in 25, wobei eine Sperrklinke mit der Kontaktfläche eines Nockens in Eingriff steht;
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28 den Massenschwerpunkt einer Sperrklinke, der angeordnet ist, um den Eingriff mit den Nocken zu unterstützen;
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29 den Massenschwerpunkt einer Sperrlinke, der entgegengesetzt zu dem Eingriff mit den Nocken angeordnet ist;
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30 eine schematische Darstellung der Wirkungslinie einer Kraft, die zwischen einem Nocken und einer Aussparung der Sperrklinke übertragen wird, wenn die Kupplung in Eingriff ist;
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31 eine schematische Darstellung des Angriffswinkels zwischen der Wirkungslinie aus 30 und einer Linie senkrecht zu einer radialen Linie durch die Schwenkachse hindurch;
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32 eine teilweise Seitenansicht der Einwegkupplung, wobei die Sperrklinkenplatte in der Nockenplatte installiert ist und die Sperrklinke außer Eingriff von den Nocken ist und an diesen freiläuft, wenn sie sich entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn relativ zu der Sperrklinkenplatte drehen; und
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33 eine perspektivische Ansicht einer Einwegkupplung, die in einer Anordnung mit Lagerflächen und Körperflächen an dem Innenlaufring und Außenlaufring installiert ist.
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Mit Bezug auf 1 weist eine Einwegkupplung 20, die keine Ausführungsform der Erfindung ist, 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 24 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 halten 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 an 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, welches 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 Kupplung 120, die keine Ausführungsform der Erfindung ist. 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 alternative Kupplung wie in 1 und 8 eine Nockenplatte 160 auf, die mit Nockenflächen oder Nuten 162, einem radialen Flansch 164, der an einem axialen Ende der Nockenplatte 160 angeordnet ist, einer zylindrischen inneren Lagerfläche 180, und einer Ausnehmung 166 versehen ist, die in der Lagerfläche 180 ausgebildet und dem Flansch 164 axial gegenüberliegend angeordnet 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 blind, d.h. an dem einen axialen Ende von einer Fläche 176 einer Trennwand abgeschlossen, und weist ein axiales offenes Ende auf, das der Fläche 176 axial gegenüberliegt. Die Trennwand weist eine Außenfläche 196 auf, die von der Fläche 176 axial nach außen gerichtet ist. Jede Aussparung 170 weist einen Durchlass auf, der an ihrem radialen Umfang angeordnet und den Nockenflächen 162 zugewandt ist, wie 1 und 8 für die Kupplungen 20 und 120 zeigen. Ein Abschnitt jeder Sperrklinke 174 schwenkt in den Durchlass der jeweiligen Aussparung 170 hinein, wenn die Sperrklinke 174 in Richtung zu den Nockenflächen 162 an der Nockenplatte 160 schwenkt. Wenn die Kupplung freiläuft, läuft jede Sperrklinke 174 an den Nockenflächen 162 entlang, da die Nockenflächen 162 die Sperrklinken 174 kontaktieren und an diesen vorbei drehen. Das offene Ende 177 jeder Aussparung 170 und ein axiales Ende jeder Federvertiefung 40, 140 sind durch eine Halteplatte 178 abgedeckt. Durch die Halteplatte 178 wird eine Abnutzung infolge des Kontaktes der Sperrklinke 174 und der Feder an einer zu dem Ende 177 benachbarten Fläche verhindert.
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In 12 ist die Nockenplatte 160 ist mit der inneren, axial gerichteten zylindrischen Lagerfläche 180 versehen, und die Sperrklinkenplatte 168 ist mit einer äußeren, axial gerichteten zylindrischen Lagerfläche 182 versehen. Die Nockenplatte 160 und die Sperrklinkenplatte 168 werden an den Lagerflächen 180, 182 zur Axialbewegung in die in 12 gezeigte Montageposition geführt. Nach dem Einbau sind die Lagerflächen 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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In einer alternativen Form kann die Halteplatte 178 eine Scheibe sein, die vorzugsweise durch Kondensatorentladungsschweißen an die Sperrklinkenplatte 168 geschweißt wird. In diesem Falle werden die im Winkelabstand voneinander angeordneten Laschen 192, die sich axial von der Fläche des Rings 190 zu der Sperrklinkenplatte 168 erstrecken, und die in 17 gezeigten Laschenausnehmungen 220 von der Sperrklinkenplatte 168 beseitigt.
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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 äußere Kraft, die auf die in Eingriff stehende Sperrklinke ausgeübt wird, wird an eine Ecke der jeweiligen Aussparung 170 übertragen, wo die Resultierende der ausgeübten Kraft F auf die Sperrklinkenplatte 168 einwirkt.
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Die innere Keilverzahnung ist 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 F dargestellten Kraft liegt. Die Wirkungslinie der Kraft F 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 F 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.
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Mit Bezug auf 20 und 21 weist eine Einwegkupplung wie die aus 12 eine kreisförmige Nockenplatte 300, die mit Nocken 302 versehen ist, welche im Winkelabstand voneinander um eine Mittellängsachse 304 angeordnet sind, einen radialen Flansch 303, der an einem axialen Ende der Nockenplatte 300 angeordnet ist, und eine Ausnehmung 305 auf, die an dem gegenüberliegenden axialen Ende der Nockenplatte 300 angeordnet ist. Jeder Nocken 302 weist eine Kontaktfläche 308, eine konvexe Nockenfläche 306, die radial nach außen und winklig um die Achse 304 ausgerichtet ist, und eine Hinterschneidung 310 oder einen Übergangsradius auf, um einen Übergang zwischen einer Kontaktfläche 308 und der Nockenfläche 306 zu bilden. Die Hinterschneidung 310 schafft eine Entlastung gegen eine Spannungskonzentration, die ansonsten vorhanden sein würde, wenn die Kontaktfläche 308 die Nockenfläche 306 im spitzen Winkel schneidet. Es gibt etwa siebenunddreißig Nocken, die an dem Innenumfang der Nockenplatte 300 ausgebildet sind. Die Flächen 306, 308 und 310 erstrecken sich zu einer Innenfläche 315 des radialen Flansches 303 und axial parallel zu der Mittelachse 304.
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Eine Lagerfläche 312 zum Abstützen einer Sperrklinkenplatte 320, die mit einer zusammenpassenden Lagerfläche 318 versehen ist, wird von einer Ausnehmung 305 unterbrochen, welche einen Sprengring aufnimmt, der in die Ausnehmung 305 federnd eingepasst ist. Die Nockenplatte 300 ist mit der inneren, axial ausgerichteten zylindrischen Lagerfläche 312 versehen, und die Sperrklinkenplatte 320 ist mit der äußeren, axial ausgerichteten zylindrischen Lagerfläche 318 versehen. Die Nockenplatte 300 und die Sperrklinkenplatte 320 werden an den Lagerflächen 312, 318 zur axialen Bewegung in die Montageposition geführt. Nach der Montage stehen die Lagerflächen 312, 318 im gemeinsamen Eingriff miteinander und schaffen eine Lagerabstützung für die Relativdrehung der Nockenplatte 300 und der Sperrklinkenplatte 320. Der Sprengring sitzt in der Ausnehmung 305, um die Sperrklinkenplatte 320 gegen axiale Bewegung relativ zu der Nockenplatte 300 nach ihrer Montage und während des Betriebs zu sichern.
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Wie mit Bezug auf die in 12–19 gezeigte Kupplung beschrieben, fließt Schmiermittel an der Innenfläche 315 des Flansches 303 radial nach außen, nachdem es aus den Flüssigkeitspassagen 204, 208 austritt. Das Schmiermittel fließt gegen die konkave Nockenfläche 306 und die Kontaktfläche 308 und lagert sich in jeder Hinterschneidung 310 ab.
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Die Kontaktfläche 308 jedes Nockens 302 ist im Wesentlichen parallel zu einer jeweiligen Ebene 314 und im Abstand von dieser angeordnet, welche sich von der Mittelachse 304 radial nach außen erstreckt und an jeder Stelle des Nockens 302 im Winkel um die Mittelachse 304 angeordnet ist. Die Nockenfläche 306 ist aus mehreren Kreisbögen gebildet, welche allmählich radial nach außen in Richtung zu der Hinterschneidung 310 und im Winkel um die Mittelachse 304 übergehen.
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17 zeigt eine Sperrklinkenplatte 168, die mit sieben Aussparungen 170 versehen ist, welche im Winkelabstand um die Mittelachse 172 angeordnet sind. 22 zeigt einen Abschnitt einer alternativen Sperrklinkenplatte 320, die in den inneren radialen Umfang der Nockenplatte 300 eingepasst ist. Die Sperrklinkenplatte 320 weist ebenfalls sieben Aussparungen 322 auf, die in gleichen Winkelabständen voneinander um die Mittelachse 304 angeordnet sind. Die Basis jeder Ausnehmung 320 ist mit einer ersten konkaven zylindrischen Fläche 324, einer zweiten konkaven zylindrischen Fläche 326 und einer ebenen Fläche 328 tangential zu den Flächen 324, 326 versehen. Das radial äußere Ende der Federvertiefung 327 geht über einen Übergangsradius 325 in eine ebene Fläche 330 über. Der Übergang von der ebenen Fläche 330 zu der zylindrischen Fläche 324 ist durch einen Sperrklinkenrückhaltevorsprung 332 gestaltet, dessen Mitte von der Aussparung 322 nach außen liegt. Die Mitte der zylindrischen Fläche 324 liegt an einer Schwenkachse 334, welche axial durch die Dicke der Sperrklinkenplatte 320 hindurch tritt und im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse 304 ist.
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Jede Aussparung 322 ist blind, d.h. an dem einen axialen Ende von der Fläche 176 abgeschlossen, und ist an dem axial gegenüberliegenden Ende 177 offen. Jede Aussparung 322 weist an radial äußeren Umfang eine Öffnung oder einen Durchlass 323 auf, durch welchen ein Abschnitt der jeweiligen Sperrklinke 340 hindurchtritt, wenn dieser schwenkt, um mit den Nocken 302 in und außer Eingriff zu gelangen, welche den Aussparungen 322 zugewandt sind. Jedoch kann die Sperrklinke 340 nicht über den Durchlass 323 aus ihrer Aussparung 322 entfernt werden, da die eingebaute Sperrklinke 340 durch den Rückhaltevorsprung 332 zurückgehalten wird oder dort eingeschlossen ist. 25 zeigt die Sperrklinke 340, die infolge des Kontaktes zwischen dem Rückhaltevorsprung 332 und einer Hinterschneidung 354 der Sperrklinke 340 und den Kontaktflächen 324, 326 in der Aussparung 322 zurückgehalten wird. Daher wird jede Sperrklinke 340 über den an dem offenen Ende 177 an der axialen Endfläche 210 vorgesehenen Zugang in die jeweilige Aussparung 322 eingesetzt oder montiert und aus dieser entfernt.
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Eine Sperrklinke 340 der in jeder Aussparung 322 eingebauten Art ist in 23 und 24 gezeigt. Die Sperrklinke 340 weist eine erste konvexe zylindrische Fläche 342, welche komplementär zu der Sperrklinkenfläche 324 ist, eine zweite konvexe zylindrische Fläche 346, welche komplementär zu der Sperrklinkenfläche 326 ist, und eine konkave oder ausgesparte Fläche 352 auf, die tangential in die Flächen 342, 346 übergeht. Die Sperrklinkenfläche 342 hat bei 344 eine Mitte, welcher nach der Montage der Sperrklinke 340 in der Aussparung 322 im Wesentlichen parallel zu der Schwenkachse 334 der Aussparung 322 ist oder mit dieser übereinstimmt. Die Ausnehmung 352 verhindert, dass die Sperrklinke 340 die ebene Fläche 328 der Aussparung 322 kontaktiert.
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Die Sperrklinke 340 ist mit dem Übergangsradius 354 versehen, dessen Mitte bei 356 liegt. Der Übergangsradius 354 und dessen benachbarte Flächen 358, 360 bilden eine Hinterschneidung, welche die Sperrklinke 340 in der Aussparung 322 zurückhält, und verhindert, dass die Sperrklinke 340 über den Durchlass 323 radial aus der Aussparung 322 austritt. Die Sperrklinke 340 erstreckt sich von der Hinterschneidung 354 zu einer Eingriffsfläche 362, welche mit der Kontaktfläche 308 des Nockens 302 in Eingriff steht, wenn die Kupplung in Eingriff ist. Eine radial äußere Fläche 364 der Sperrklinke 340 ist aus verschiedenen Kreisbögen gebildet, von denen einer die Mitte bei 366 hat, wobei andere Bögen einen sanften Übergang zu der Sperrklinkenfläche 346 vollenden.
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Der Umriss der Fläche 364 ist derart geformt, dass ein Raum, der zwischen einem Längenabschnitt der Fläche 364 und einem Umrissabschnitt der Nockenfläche 306 ausgebildet ist, wenn die Kupplung freiläuft und die Sperrklinke 340 an der Nockenplatte 300 entlang läuft, Hydraulikflüssigkeit, vorzugsweise Schmiermittel oder Automatikgetriebeflüssigkeit aufnimmt, welche der Nockenfläche 306 zugeführt wurde, wie mit Bezug auf 16–19 beschrieben ist. 25 und 26 zeigen Hydraulikflüssigkeit 376 in dem Raum zwischen den Umrissen der Nockenfläche 306 und der Sperrklinkenfläche 364.
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24 zeigt die ungefähre Lage des Massenschwerpunkts 350 der Sperrklinke 340, der in der Mitte zwischen den Endflächen und näher zu den Flächen 342, 346 als zu der Eingriffsfläche 362 liegt.
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25 zeigt die Sperrklinke 340, die von der Nockenplatte 300 außer Eingriff ist und an den Nocken 302 entlang läuft, da sich die Nocken 302 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn relativ zu der Sperrklinkenplatte 320 drehen. Die Sperrklinkenfläche 342 steht mit der Aussparungsfläche 324 in Eingriff, so dass die Sperrklinke 340 in einer Gelenkverbindung in die Aussparung 322 eingreift. Eine Feder 370, die in der Federvertiefung 327 angeordnet ist, zwingt die Sperrklinke 340 zum Schwenken um die Schwenkachse 334 derart, dass die Sperrklinkenfläche 364 in Richtung des Eingriffs mit der Fläche 306 jedes Nockens 302 und in Kontakt mit dieser um die Schwenkachse 334 schwenkt, wenn die Nockenfläche 306 die Sperrklinke 340 passiert. Die Sperrklinke 340 wird infolge des Eingriffs ihrer Hinterschneidung 354 mit dem Rückhaltevorsprung 332 der Aussparung 322 am Austreten aus der Aussparung 322 zurückgehalten. Ein Tropfen der an der Nockenfläche 306 vorhandenen Hydraulikflüssigkeit 376 befindet sich zwischen der Nockenfläche 306 und der radial äußeren Fläche 364 der Sperrklinke 340, wodurch der Kontakt zwischen der Sperrklinke 340 und dem Nocken 302 gedämpft oder abgefedert wird, wenn die Kupplung freiläuft.
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Die Sperrklinken 340 bleiben freilaufend an den Nocken 302, während sich die Nockenplatte 300 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn relativ zu der Sperrklinkenplatte 320 dreht. Wie 26 zeigt, federt, wenn eine Ecke 372 jeder Sperrklinke 340 eine Ecke 374 der Kontaktfläche 308 des Nockens 302 überspringt, die Sperrklinke 340 radial nach außen in Kontakt mit der Nockenfläche 306. 26 zeigt die Sperrklinke 340, welche die Ecke 374 der Kontaktfläche 308 übersprungen hat, jedoch bevor die Eingriffsfläche 362 mit der Kontaktfläche 308 in Eingriff steht. Die an der Nockenfläche 306 vorhandene Hydraulikflüssigkeit 376 gelangt zwischen die Nockenfläche 306 und die radial äußere Fläche 364 der Sperrklinke 340, wodurch der Kontakt zwischen der Sperrklinke 340 und dem Nocken 302 gedämpft oder abgefedert wird. Wenn die Sperrklinke 340 an den Nocken 302 entlang läuft, wird das an der Nockenfläche 306 und der Fläche der Hinterschneidung 310 befindliche Schmiermittel 376 durch die Freilaufbewegung der Sperrklinke 340 komprimiert und axial von dem radialen Flansch 303 der Nockenplatte 300 und den Nockenflächen 306, 308, 310 zu der Lagerfläche 312 gepumpt. In dem hier beschriebenen Beispiel schafft diese Pumpwirkung, welche auftritt, wenn jeder der siebenunddreißig Nocken 302 über die sieben Sperrklinken 340 pro Umdrehung der Nockenplatte 300 relativ zu der Sperrklinkenplatte 320 entlang läuft, einen kontinuierlichen Schmiermittelfluss zu der Lagerfläche 312 der Nockenplatte 300 und der zusammenpassenden Lagerfläche 318 der Sperrklinkenplatte 320.
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Die Kupplung läuft frei, wenn sich die Nockenplatte 300 schneller als die Sperrklinkenplatte 320 und in derselben Richtung wie diese dreht. Wenn die Geschwindigkeit der Sperrklinkenplatte 320 gleich oder größer als die der Nockenplatte 300 ist oder die Nockenplatte 300 sich in der entgegengesetzten Richtung zu der Sperrklinkenplatte 320 dreht, ist die Kupplung in Eingriff. Der Eingriff tritt ein, wenn die Ecke 372 einer Sperrklinke 340 die Ecke 374 der Kontaktfläche 308 des Nockens 302 überspringt, wodurch die Eingriffsfläche 362 der Sperrklinke 340 mit der Kontaktfläche 308 des Nockens 302 in Eingriff gelangen kann. Wenn dieser Eingriff eintritt, schwenkt die Sperrklinke 340 im Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 334 aus der Position in 25 und 26, und die Sperrklinkenfläche 346 wird gegen die Aussparungsfläche 326 gedrängt, wie in 27 gezeigt ist. Wenn die Kupplung in Eingriff ist, drängt eine Kraft F, welche zwischen der Sperrklinkenplatte 320 und der Nockenplatte 300 übertragen wird, wie mit Bezug auf 17 beschrieben ist, die Sperrklinkenfläche 346 gegen die Aussparungsfläche 326, und öffnet einen Freiraum zwischen der Aussparungsfläche 324 und der benachbarten Sperrklinkenfläche 342.
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In 28 stellt die Richtung einer radialen Linie 380, die von der Mittelachse 304 durch die Schwenkachse 334 gezogen ist, die Radialrichtung einer Zentrifugalkraft dar, die auf die Bauteile der Kupplung wirkt. Die Linie 382 ist eine gerade Linie, welche die Punkte der Schwenkachse 334 und des Massenschwerpunkts 350 der Sperrklinke 340 miteinander verbindet. Wenn sich die Sperrklinkenplatte 320 um die Mittelachse 304 dreht, ist die Zentrifugalkraft der Sperrklinke 340, die von dem Vektor J verkörpert wird, radial von der Mittelachse 304 durch den Massenschwerpunkt 350 der Sperrklinke 340 hindurch ausgerichtet. Die Sperrklinke 340 ist in 28 vollständig in der Aussparung 322 zurückgezogen gezeigt, d.h. die Sperrklinke 340 wird in die Aussparung 322 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 334 gedreht, bis der Kontakt zwischen der Sperrklinke 340 und der Sperrklinkenplatte 320 eine weitere Drehung verhindert. Mit der Sperrklinke 340 in dieser Position liegt der Massenschwerpunkt 350 der Sperrklinke 340 relativ zu der Schwenkachse 334 derart, dass die auf die Sperrklinke 340 ausgeübte Zentrifugalkraft J bewirkt, dass die Sperrklinke 340 im Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 334 schwenkt, wodurch die Kraft der Feder 370 beim Schwenken der Sperrklinke 340 in Richtung zu dem Eingriff mit den Nocken 302 unterstützt wird. Jedoch überschreitet bei der in ihrem normalen Drehzahlbereich arbeitenden Kupplung die Größe der Zentrifugalkraft J weit die Größe der von der Feder 370 erzeugten Kraft.
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Die Zentrifugalkraft J schwenkt jede Sperrklinke 340 um die Schwenkachse 334 derart, dass sich die äußere Fläche 364 der Sperrklinke 340 durch den Durchlass 323 hindurch an der Fläche der Nockenplatte 300 in der in 25 gezeigten Position erstreckt, wo die Getriebeflüssigkeit 376 oder eine andere Hydraulikflüssigkeit den sich wiederholenden Kontakt zwischen den Nockenflächen 306 und den äußeren Flächen 364 der Sperrklinke 340 dämpft oder abfedert, wenn die Kupplung freiläuft.
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Da die Federkraft relativ zu der Größe der Zentrifugalkraft der Sperrklinke 340 gering ist, sind die Richtung und Lage der Zentrifugalkraft J die Hauptgrößen, die einen bevorzugten Winkelbereich der Sperrklinke 340 um die Schwenkachse 334 bestimmen, wenn die Kupplung freiläuft. 28 zeigt die Sperrklinke 340 in einem bevorzugten Bereich. Es wurde ermittelt, dass, wenn die Sperrklinke 340 vollständig in der Aussparung 322 zurückgezogen ist, ein bevorzugter Bereich eines spitzen Winkels 384, der durch den Schnittpunkt der radialen Linie 380 und der Linie 382 gebildet wird, im Bereich zwischen 0 und 20 Grad liegt.
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In 29 ist die Sperrklinke 340’ vollständig in der Aussparung 322 zurückgezogen gezeigt, d.h. die Sperrklinke 340’ wird in die Aussparung entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 334 geschwenkt, bis der Kontakt zwischen der Sperrklinke 340’ und der Nockenplatte 300 eine weitere Drehung verhindert. Der Massenschwerpunkt 350’ der Sperrklinke 340’ liegt relativ zu der Schwenkachse 334 derart, dass die radial von dem Massenschwerpunkt 350’ ausgerichtete Zentrifugalkraft K der Sperrklinke 340’ bewirkt, dass die Sperrklinke 340’ entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um die Schwenkachse 334 von den Nocken 302 weg entgegen der Kraft der Feder 370 schwenkt. Jedoch ist Kraft der Feder 370, welche dem Schwenken der Sperrklinke entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn bei geringer Drehzahl entgegenwirkt, relativ zu der Zentrifugalkraft an der Sperrklinke groß. Die radiale Linie 380 erstreckt sich von der Mittelachse 304 durch die Schwenkachse 334, und eine Linie 386 erstreckt sich von der Schwenkachse 334 zu dem Massenschwerpunkt 350’ der Sperrklinke 340’. In dem Falle, dass die Zentrifugalkraft wirkt, um die Kupplung außer Eingriff zu bringen, und die Sperrklinke 340’ vollständig in der Aussparung 322 zurückgezogen ist, liegt ein bevorzugter Bereich eines spitzen Winkels 388, der von dem Schnittpunkt der radialen Linie 380 und der Linie 386 gebildet wird, im Bereich zwischen 0 und 20 Grad.
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Wenn ein Nocken 302 mit einer Sperrklinke 340 in Eingriff steht, können die Kraft F, die von dem mit der Sperrklinke 340 in Eingriff stehenden Nocken 302 auf die Sperrklinke 340 ausgeübt wird, und deren Reaktionskraft R in der Aussparung 322, wo die Sperrklinke 340 angeordnet ist, durch eine gerade Linie 390 dargestellt werden. Die Linie 390 verbindet einen Mittelpunkt 392 des Kontaktbereichs zwischen der Sperrklinke 340 und der Kontaktfläche 308 des in Eingriff stehenden Nockens 302 und einen Mittelpunkt 394 des Kontaktbereichs zwischen der zweiten konkaven zylindrischen Fläche 326 und der konvexen Sperrklinkenfläche 346. 30 und 31 zeigen diese Punkte, Linien und Flächen.
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Die tangentiale Komponente der Kraft F, welche senkrecht zu der radialen Linie 380 verläuft, erzeugt ein Torsionsmoment in der Sperrklinkenplatte 320 um die Mittelachse 304, so dass die Sperrklinkenplatte 320 mit der Nockenplatte 300 als eine Einheit um die Mittelachse 304 gedreht wird. Die mit der Reaktionskraft R auf die Aussparung 322 ausgeübte Belastung wird winklig um die Mitte der zylindrischen Fläche 326 und axial über die Tiefe der Aussparung 322 verteilt. Die verteilte Belastung hat einen Spitzenwert an der Linie 390 und einen verringerten Wert mit zunehmendem Abstand von der Linie 390. Der Spitzenwert der verteilten Belastung liegt entlang der Linie 390 vor und hat keine radiale Komponente um die Mitte der Aussparungsfläche 326. Jedoch erzeugen die radialen Komponenten der verteilten Belastung eine Zugspannung in der Nockenplatte 300.
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Um einen Spannungsfehler der Nockenplatte 300 infolge dieser Belastung zu vermeiden, ist ein axiales Ende 176 jeder Aussparung 322 durch eine Trennwandfläche 196 geschlossen, die dem offenen axialen Ende 177 axial gegenüberliegend angeordnet ist, wodurch eine radiale Spannungskontinuität über die Aussparungsöffnung geschaffen wird. Die Steifigkeit der Trennwand bewirkt ferner, dass die durch die Kraft F verursachte verteilte Belastung an der Aussparung 322 an dem der Trennwand am nächsten liegenden axialen Ende der Aussparung 322 konzentriert werden kann.
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Mit Bezug auf 31 wird, wenn ein Nocken 302 mit einer Sperrklinke 340 in Eingriff steht, ein Winkel 398 zwischen der Wirkungslinie 390 und einer Linie 400 gebildet, die senkrecht zu der radialen Linie 380 verläuft, die sich von der Mittelachse 304 zu der Schwenkachse 334 erstreckt. Wenn der Winkel 398 groß ist, ist die radiale Komponente der Kraft F parallel zu der Linie 380 relativ groß, und die tangentiale Komponente parallel zu der Linie 400 ist gering.
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Daher neigt, wenn der Winkel 398 groß ist, die Kraft F weniger dazu, die Sperrklinkenplatte 320 um die Mittelachse 304 zu drehen, und mehr dazu, die Sperrklinkenplatte 320 radial in Richtung zu der Mittelachse 304 zu drängen. Jedoch ist, wenn der Winkel 398 kleiner ist, die radiale Komponente der Kraft F, die parallel zu der Linie 380 liegt und dazu neigt, die Sperrklinkenplatte 320 um die Mittelachse 304 zu drehen, relativ groß, und die tangentiale Komponente der Kraft F ist gering. Es wurde ermittelt, dass ein bevorzugter Bereich des Winkels 398 zwischen 0 und 45 Grad liegt. In diesem Bereich ist die Größe der Materialspannung, die durch die radial gerichtete Kraft in der Sperrklinkenplatte 320 erzeugt wird, geringer als das Spannungsvermögen des Materials der Sperrklinkenplatte 320.
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Mit Bezug auf 32, in welcher eine Sperrklinkenplatte 320 gezeigt ist, die in einer Nockenplatte 300 eingebaut ist, läuft die in der Aussparung 322 angeordnete Sperrklinke 340 frei an den Nocken 302 entlang, wenn sich die Nockenplatte 300 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn relativ zu der Sperrklinkenplatte 320 dreht. Die Nockenplatte 300 und die Sperrklinkenplatte 320 sind derart angeordnet, dass die äußere Fläche 364 der Sperrklinke 340 mit der Nockenfläche 306 an einer Linie 410 in Kontakt steht, deren Spur in 32 als ein Punkt erscheint, in welchem die Flächen 364 und 306 zuerst einen Kontakt bilden, wenn sich die Nocken 302 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn über die Sperrklinke 340 bewegen. Die Linie 380 ist eine gerade radiale Linie, die sich von der Mittelachse 304 durch die Schwenkachse 334 erstreckt. Die Linie 412 ist eine gerade Linie, welche die Schwenkachse 334 mit der Mitte des Linienkontakts 410 an der Sperrklinkenfläche 364 verbindet. Ein Winkel 414 wird durch den Schnittpunkt der Linien 380 und 412 gebildet.
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Um die Größe der radialen Komponente der von dem Kontakt zwischen der Sperrklinkenfläche 364 und der Nockenfläche 306 erzeugten Kraft zu minimieren, tritt vorzugsweise der erste Kontakt 410 zwischen der Sperrklinke 340 und dem Nocken 302 an der nachlaufenden Seite der radialen Linie 380 auf, d.h. nachdem sich der Nocken 302 an der Linie 380 vorbei dreht.
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Vorzugsweise ist der Winkelversatz des ersten Kontakts 410 von der radialen Linie 380 ausreichend, um die Größe der radialen Komponente der Kontaktkraft zu minimieren. Es wurde ermittelt, dass der Winkel 414 bevorzugt größer als 10 Grad ist und im Bereich 10–45 Grad liegen sollte.
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21 und 33 zeigen eine Technik zum Führen der Nockenplatte 300 und der Sperrklinkenplatte 320 in ihre Montagepositionen. In 21 ist die Nockenplatte 300 mit einer inneren, axial ausgerichteten zylindrischen Führungs- oder Lagerfläche 312 versehen. Die Sperrklinkenplatte 320 ist mit einer äußeren, axial ausgerichteten zylindrischen Führungs- oder Lagerfläche 318 versehen, an welcher die Lagerfläche 312 der Nockenplatte 300 zur axialen Bewegung in die Montageposition geführt wird. Nach der Montage stehen die Flächen 312, 318 im gemeinsamen Eingriff und schaffen eine Lagerabstützung für die Relativdrehung der Nockenplatte 300 und der Sperrklinkenplatte 320. Ein Haltering sitzt in der Ausnehmung 305, um die Sperrklinkenplatte 320 gegen axiale Bewegung relativ zu der Nockenplatte 300 nach ihrer Montage und während des Betriebs zu sichern.
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33 zeigt die Sperrklinken-Einwegkupplung, deren Nockenplatte 300 die Sperrklinkenplatte 320 umschließt. Eine Nabe 420, die in dem Getriebe an einem nichtdrehenden Träger angeordnet ist, ist der Hauptbezugspunkt der Anordnung. Obwohl es ein Spiel zwischen der Nabe 420 und der Sperrklinkenplatte 320 gibt, um deren Montage zu ermöglichen, können diese auch zusammengepresst oder aus einem einzigen Teil geformt sein. Der Träger (nicht gezeigt) ist mit einem Getriebegehäuse verbunden und dreht sich nicht. Die Nabe 420 ist mit anderen Getriebebauteilen verbunden, welche Energie an der Nabe aufbringen, um deren Drehung zu bewirken.
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Die Sperrklinkenplatte 320, welche in 33 als ein Innenlaufring gezeigt ist, kann auch eine Nockenplatte sein, die mit einem gestuften Querschnitt versehen ist, dessen größerer Durchmesser derart bearbeitet ist, dass er den Durchmesser der Lagerfläche 318 bildet. Die Nabe 420 legt die radiale Position der Sperrklinkenplatte 320 fest. Keile 422 zwischen der Nabe 420 und der Sperrklinkenplatte 320 halten diese beiden Bauteile zusammen, um die Relativgeschwindigkeit auf Null zu halten und das Drehmoment zwischen ihnen zu übertragen. Bauteile, die an der Nabe angebracht sind, legen die Sperrklinkenplatte 320 axial fest.
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In einem Beispiel betragen die minimale und die maximale Abmessung des Durchmessers der Lagerfläche 318 der Sperrklinkenplatte 5,0205 bzw. 5,0235. Die minimale und die maximale Abmessung des Durchmessers einer Körperfläche 424 der Sperrklinkenplatte betragen 4,8450 bzw. 4,8550.
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Die minimale und die maximale Abmessung des Durchmessers der Lagerfläche 312 der Nockenplatte betragen 5,0265 bzw. 5,0305. Die minimale und die maximale Abmessung des Durchmessers der Körperfläche 302 der Nockenplatte betragen 4,8725 bzw. 4,8775.
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Aus diesen Abmessungen ist ersichtlich, dass das maximale Spiel zwischen den Ringen der Nockenplatte 300 und der Sperrklinkenplatte 320 an den Durchmessern der Körperflächen 424, 302 auftritt, wo das maximale und das minimale Spiel 0,0325 bzw. 0,0175 betragen. Das minimale Spiel zwischen den beiden Platten tritt an den Lagerflächen 312, 318 auf, wo das maximale und das minimale Spiel 0,0100 bzw. 0,0030 betragen.
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Ein Grund dafür, dass das Spiel zwischen den Lagerflächen 312, 318 geringer als das Spiel zwischen den Körperflächen 424, 302 ist, ist es, sicherzustellen, dass die Körperfläche 424 der Sperrklinkenplatte nicht mit der Körperfläche 302 der Nockenplatte in Kontakt gelangt. Die einander benachbarten Körperflächen sind zylindrische intermittierende Flächen, die von den Sperrklinkendurchlässen 323 unterbrochen werden, welche ein sofortiges Verriegeln der beiden Platten bei hoher Freilaufgeschwindigkeit bewirken würden, wenn es nicht die oben beschriebenen Spieldimensionierungsmaßnahmen gäbe. Die Durchmesser der Lagerflächen halten auch die Position der Nockenplatte 300 relativ zu der Sperrklinkenplatte 320 während der Verriegelung aufrecht. Es ist möglich, dass nur eine Sperrklinke 340 mit einem Nocken 302 während der Verriegelung in Eingriff gelangen kann. Wenn dies auftritt, neigt die Nockenplatte 300 dazu, sich um die in Eingriff stehende Sperrklinke in dem Bereich des Kontakteingriffs zu drehen.
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Das geringe Spiel zwischen den Lagerflächen 312, 318 ermöglicht, dass sich die Nockenplatte 300 nur um einen geringen Weg dreht, bevor die Lagerflächen 312, 318 in gemeinsamen Kontakt miteinander gelangen. Das enge Spiel an den Lagerflächen begrenzt das Radialspiel der Nockenplatte 300 in Bezug auf den Abstand zu der Sperrklinkenplatte 320 während aller Betriebsarten, d.h. Freilauf, Übergang und Verriegelung.
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Die Lagerflächen 312, 318 sind zylindrische Flächen. Die Lagerfläche 318 wird an der Lagerfläche 312 geführt, wodurch die Möglichkeit des Zusammenschweißens der beiden Flächen reduziert wird. Die scharfen Ränder der Hinterschneidungen 310 an der Nockenplatte 300 neigen dazu, den Ölfilm zu unterbrechen, der sich an der Grenzfläche bildet. Wenn die beiden Flächen unterbrochen wären, würden die Sperrklinkenplatte 320 und die Nockenplatte 300 an diesen hochbelasteten Stellen kontaktieren und könnten verschweißen oder verkleben. Die kontinuierliche Lagerfläche verteilt die Belastung, wodurch die Möglichkeit des Aufschweißens reduziert wird.
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Alternativ kann das Führen der Platten 300, 320 mittels eines dritten Bauteils, wie der Nabe 420, durchgeführt werden. In diesem Falle wird eine relativ enge Abmessungstoleranz zwischen dem Durchmesser einer Fläche 416 der Nockenplatte 300 und dem Durchmesser einer Fläche 430 der Nabe 420 gebildet, die durch Erweiterung des Flansches 303 radial in Richtung zu der Nabenfläche 430 nahe der Fläche 416 liegt. Die Größe des Spiels zwischen den Durchmessern der Flanschfläche 416 und der Nabenfläche 430 ist gleich dem oben beschriebenen maximalen und minimalen Spiel zwischen den Lagerflächen 312, 318 der Platten.
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Eine zweite relativ enge Abmessungstoleranz wird wie bei dem oben beschriebenen maximalen und minimalen Spiel zwischen den Flächen 312, 318 der Platten zwischen dem Durchmesser einer Fläche 432 der Sperrklinkenplatte 320 und dem Durchmesser der Fläche 430 der Nabe 300 gebildet. Diese beiden Spiele jeweils zwischen den Flächen 430, 432 und den Flächen 416, 430 erzeugen ein vorbestimmtes Spiel zwischen den Lagerflächen 312, 318.
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Die Lagerflächen 312, 318 sind axial im Abstand von den Nocken 302 und den Sperrklinken 340 angeordnet. Dies ermöglicht, dass die Anzahl der Nocken maximiert werden kann, wodurch der Totgang reduziert werden kann, welcher ein störendes Geräusch, wie ein klirrendes Geräusch, erzeugen kann. Bei anderen Freilaufkupplungen nach dem Stand der Technik wird versucht, die Körperdurchmesser zum Führen der Sperrklinkenplatte und der Nockenplatte zu verwenden. Bei diesen Kupplungen muss zum Führen ein beträchtlicher Teil der Körperfläche der Nockenplatte glatt und ununterbrochen sein, wodurch die Größe der übrigen Fläche reduziert wird und weniger Nocken an dieser Fläche ausgebildet sein können, so dass das Risiko des Totgangs erhöht wird.
