DE102007051736A1

DE102007051736A1 - Bidirektionale Freilaufkupplung mit Klemmelementen

Info

Publication number: DE102007051736A1
Application number: DE102007051736A
Authority: DE
Inventors: Brian Lee
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2008-04-30
Also published as: WO2008049895A1; WO2008049893A1; US20120043174A1; DE102007051734A1; DE102007051738A1; WO2008049892A2; WO2008049892A3; DE102007051732A1; US8544625B2; WO2008049894A1; DE102007051735A1; US20080099295A1; WO2008049891A1; DE102007051733A1; WO2008049896A1

Abstract

Eine bidirektionale Freilaufkupplung, die Klemmen anstelle von Rollen verwendet und ein erhöhtes Drehmoment und eine verringerte Größe erreicht.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung bezieht sich auf bidirektionale Freilaufkupplungen und insbesondere auf eine verbesserte Konstruktion für die Rollenelemente in der Kupplung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bidirektionale Freilaufkupplungen sind bekannt, siehe beispielsweise die US-Patente Nrn. 6 409 001 ; 7 004 875 ; und 7 037 200 . Solche Kupplungen sind zwischen zwei koaxialen Wellen montiert und werden verwendet, um Kraft zwischen den zwei Wellen zu übertragen. Die Kupplung ist an einer ersten Welle befestigt und kommt selektiv mit der zweiten Welle in Eingriff, um Kraft zwischen den zwei Wellen zu übertragen. Typischerweise ist die erste Welle die Krafteingangswelle und typischerweise ist die erste Welle auch die innere Welle der zwei Wellen. Die Abtriebswelle oder zweite Welle kann ein Zahnrad sein.
Bidirektionale Freilaufkupplungen umfassen einen festen Ring, einen Gleitring (slipper ring), zylindrische Rollen, die zwischen den zwei Ringen untergebracht sind, und einen Aktor. Der feste Ring und die Gleitring sind koaxiale zylindrische Ringe mit gegenüberliegenden Flächen. Jede der gegenüberliegenden Flächen weist konkave Lageroberflächen auf, die Taschen definieren. Jede Tasche nimmt eine Rolle auf.
Der Gleitring weist eine axiale Nut oder einen axialen Schlitz auf, die bzw. der sich sowohl radial als auch axial durch die Laufbahn erstreckt. Der Schlitz ermöglicht, dass sich der Gleitring unter Kraft radial bewegt, und das dem Material, aus dem der Gleitring besteht, innewohnende Gedächtnis ermöglicht, dass die Laufbahn in eine Ruheposition zurückkehrt, sobald die Kraft entfernt wird. Der feste Ring ist an der ersten Welle montiert, während der Gleitring in unmittelbarer Nähe zu den zweiten Wellen beabstandet ist, so dass, wenn sich der Gleitring radial bewegt, sie mit der zweiten Laufbahn in Eingriff kommt, wodurch Kraft zwischen den zwei Wellen übertragen wird. Sobald die Kraft von dem Geitring entfernt wird, kehrt sie in ihre Ruheposition zurück und steht nicht mehr mit der zweiten Welle in Eingriff. Die Ruheposition wird im Allgemeinen als "Freilaufbetriebsart" der Kupplung bezeichnet, während die Eingriffsposition, wenn der Gleitring mit der zweiten Welle in Eingriff steht, als "blockierte Betriebsart" der Kupplung bezeichnet wird.
Der Aktor wird verwendet, um die Kupplung in der Freilaufbetriebsart zu halten und die Kupplung in die blockierte Betriebsart zu bewegen. Typischerweise ist der Aktor ein radial montierter beweglicher Stift, der an der festen Laufbahn befestigt ist und von dem Gleitring zurückziehbar ist. Wenn der Aktor mit beiden Laufbahnen in Eingriff steht, sind die zwei Laufbahnen gekoppelt und die Kupplung befindet sich in der Freilaufbetriebsart. In der Freilaufbetriebsart sind die gegenüberliegenden konkaven Lageroberflächen aufeinander ausgerichtet und die Rollen ruhen im Boden von jeder der gegenüberliegenden konkaven Oberflächen. Wenn der Aktorstift aus dem Gleitring herausgezogen wird, bewegen sich die zwei Laufbahnen relativ zueinander und die Rollen bewegen sich aus dem Boden der gegenüberliegenden konkaven Oberflächen und steigen entlang der diagonal gegenüberliegenden Oberflächen der Tasche hoch, um den Gleitring zu drücken, damit sie sich radial bewegt und mit der zweiten Welle in Eingriff kommt. Zwischen den Ringen wird dabei eine Kraft übertragen, die die Kupplung schließt und sie sie in die blockierte Betriebsart versetzt.
Eines der Probleme bei bidirektionalen Freilaufkupplungen besteht darin, dass die Drehmomentkapazität der Kupplung durch die zylindrischen Rollen begrenzt ist. Außerdem begrenzt die Verwendung der zylindrischen Rollen die Größe der Kupplung.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Drehmomentkapazität von bidirektionalen Kupplungen zu erhöhen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kupplung mit kleinerer Größe zu schaffen, die dasselbe Drehmoment handhaben kann wie eine Kupplung mit größerer Größe.
Diese und weitere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung der Erfindung leichter ersichtlich.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgaben der Erfindung werden unter Verwendung von Klemmen anstelle der zylindrischen Rollen erreicht. Geeigneterweise weisen die Klemmen einen Querschnitt der Zahl acht entlang ihrer Längsachse auf und sind zumindest von Seite zu Seite symmetrisch. Bevorzugter sind die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Klemmen von oben nach unten sowie von Seite zu Seite symmetrisch. Wenn die Klemme von oben nach unten sowie von Seite zu Seite symmetrisch ist, weist jede Klemme einen oberen Radius gleich dem unteren Radius auf und die zwei Radien sind konzentrisch.
Die Verwendung von Klemmen, auch Klemmkörper genannt, ermöglicht die Verwendung glatter Ringe, ohne dass der Gleitring und der feste Ring konkave Taschen aufweisen müssen, was die Herstellungsweise und den Aufbau vereinfacht.
Allgemein kann die bidirektionale Freilaufkupplung der vorliegenden Erfindung folgendermaßen definiert werden:
Eine bidirektionale Freilaufkupplung zum Montieren zwischen einer ersten und einer zweiten koaxialen Welle und zum Übertragen von Kraft zwischen den Wellen mit:

(a) einer zylindrischem Gleitring mit einer ersten radialen Oberfläche zum Reibungseingriff mit der ersten Welle und einer zweiten radialen Oberfläche mit mehreren konkaven Lageroberflächen daran;
(b) einer zylindrischen festen Laufbahn mit einer ersten radialen Oberfläche, die an der ersten Welle befestigt ist, und einer zweiten radialen Oberfläche mit mehreren konkaven Lageroberflächen daran, wobei der feste Ring zum Gleitring koaxial ist und dieser radial gegenüberliegt und jede der konkaven Lageroberflächen der festen Laufbahn einer der konkaven Lageroberflächen dem Gleitring radial gegenüberliegt, um Taschen dazwischen zu bilden;
(c) einer Klemme, die in jeder der Taschen angeordnet ist; und
(d) einem Aktor, der an der festen Laufbahn befestigt ist und mit dem Gleitring beweglich in Eingriff gebracht werden kann, um den Gleitring mit der festen Laufbahn zu koppeln, und von dem Gleitring gelöst werden kann, um den Gleitring von der festen Laufbahn abzukoppeln und zu bewirken, dass jede Klemme gegen diagonal gegenüberliegende Wände der Taschen kippt und eine radiale Kraft auf den Gleitring aufbringt.

Vorzugsweise ist die erste Welle die innere Welle, während die zweite Welle die äußere Welle ist.
Die feste Laufbahn kann auf einer äußeren Oberfläche der ersten Welle oder einer eines festen zylindrischen Rings angeordnet sein. Im Falle des festen Rings weist dieser eine erste radiale Oberfläche auf, die mit einer ersten Welle verbindbar ist und eine zweite radiale Oberfläche, die als feste Lagerlauffläche des festen Rings dient.
Die Lageroberfläche des Gleitrings und die Lagerlauffläche des festen Rings können eine Vielzahl von konkaven Ausnehmungen aufweisen. Jeder Ausnhemung auf dem festen Ring ist eine entsprechende Ausnehmung auf dem Gleitring zugeordnet, die komplementär sein können. Zusammen bilden sie Taschen, und die Klemmen sind in den Taschen angeordnet.
Geeigneterweise verwenden die Klemmen einen Käfig, um die Klemmen in Position zu halten, ein Käfig ist jedoch in Anbetracht der Tatsache, dass, wenn die Laufbahnen durch den Aktor gekoppelt sind, die Tasche die Position der Klemme darin aufrechterhält, nicht erforderlich. Ferner wird angemerkt, dass keine Feder erforderlich ist, um die Orientierung der Klemme aufrechtzuerhalten, da die Taschen selbst die Orientierung der Klemme aufrechterhalten. Die Verschiebung des Gleitrings relativ zur festen Laufbahn in Verbindung mit der Form der konkaven Lageroberflächen und die Bewegung der Klemmen stellen die radiale Kraft bereit, die zur Bewegung des Gleitrings und zu ihrem Eingriff mit der ersten Welle führt.
Diese und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden leichter ersichtlich durch Bezugnahme auf eine oder mehrere der folgenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine Teilansicht der bidirektionalen Freilaufkupplung der vorliegenden Erfindung dar;
2 stellt eine herkömmliche bidirektionale Freilaufkupplung unter Verwendung von Rollenelementen dar;
3a, 3b stellen eine vollständige bidirektionale Freilaufkupplung der vorliegenden Erfindung dar;
4 ist eine detaillierte Ansicht eines Schnitts einer Kupplung von 3 mit den Klemmen in Ruhe;
5 stellt die vorliegende Erfindung dar, wobei die Klemmen mit den Laufbahnen einen Kontakt hergestellt haben, um eine radiale Kraft auf den Gleitring aufzubringen;
6a, 6b, 6c stellen eine symmetrische Klemme für die vorliegende Erfindung im Freilaufbetrieb dar; und
7a, 7b, 7c stellen eine asymmetrische Klemme gemäß der vorliegenden Erfindung im geschalteten Zustand dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine Teilansicht einer bidirektionalen Freilaufkupplung 10 der vorliegenden Erfindung mit einer festen Laufbahn 12, die an der inneren Welle 14 befestigt ist, und ein Gleitring 16 mit dazwischen angeordneten Klemmen 18 dar. Die äußere Welle 20 ist als Zahnrad gezeigt. Der Zwischenraum 22 ist der Abstand zwischen der äußeren Welle 20 und des Gleitringes 16. Der Aktor 24 ist mit sowohl dem Gleitring 16 als auch der festen Laufbahn 12 in Eingriff gezeigt, um die Laufbahn 12 mit der Laufbahn 16 zu koppeln. Der Pfeil 26 gibt die durch den Aktornocken 28 aufgebrachte Kraft, um die Kopplung der Laufbahnen 12 und 16 aufrechtzuerhalten, an. Bei der Bewegung des Aktornockens 28, um die Aufwärtskraft gegen den Aktor 24 zu entfernen, bewegt die Feder 29 den Aktor 24 in einer Richtung entgegengesetzt zum Pfeil 26 nach unten und bewirkt, dass der Gleitring 16 von der festen Laufbahn 12 abgekoppelt wird. Diese Abkopplung ermöglicht, dass der Gleitring 16 hinter der Drehrichtung der festen Laufbahn 12 nacheilt, und bewirkt, dass sich die Klemmen 18 drehen, wodurch der Gleitring 16 nach außen und in Eingriff mit der äußeren Welle 20 gedrückt wird. Für Erläuterungszwecke zeigt der Pfeil 30 die Drehrichtung der inneren Welle 14.
Einer der neuen Aspekte der vorliegenden Erfindung wird durch Vergleichen von 2 und 3 erläutert. 2 und 3 weisen jeweils der Gleitring mit demselben Durchmesser, die mit 16 und 16' bezeichnet ist, und der feste Ring mit demselben Durchmesser, die mit 12 und 12' bezeichnet ist, auf. Die Kupplung 10' verwendet Rollenelemente 32 und der ringförmige Raum zwischen der festen Laufbahn 12' und dem Gleitring 16' nimmt 34 Rollenelemente 32 auf. Im Gegensatz dazu verwendet die in 3 gezeigte Kupplung 10 40 Klemmelemente 18 im ringförmigen Raum zwischen der festen Laufbahn 12 und dem Gleitring 16. Für Erläuterungszwecke ist eine axiale Nut 34, 34' in dem Gleitring 16 und 16' gezeigt. Wie zu sehen ist, ist die Anzahl von Klemmen 18 größer als die Anzahl von Rollenelementen 32. Dies ermöglicht, dass die Kupplung 10 der vorliegenden Erfindung ein höheres Drehmoment handhabt als die Kupplung 10', die die Rollenelemente verwendet, selbst wenn die Durchmesser ihrer jeweiligen festen Laufbahnen und Gleitringe gleich sind. Dies bedeutet auch, dass ein fester Ring und Gleitring mit kleinerem Durchmesser verwendet werden können, wobei die Anzahl von Klemmen 18 gleich der Anzahl von Rollen ist, da die Klemmen 18 weniger Raum einnehmen als die Rollen 32.
3b zeigt die gleiche Anordnung wie 3a mit Ausnahme des Käfigs 35, der Klemmen 18' hält. Der Käfig 35 ist ein Standard-Klemmkäfig
4 stellt die Kupplung 10 der vorliegenden Erfindung dar, wobei der Gleitring 16 und der feste Ring 12 durch den Aktor 24 gekoppelt sind. Wie dargestellt, weist der feste Ring 12 konkave Lageroberflächen 38 auf und den Gleitring 16 weist konkave Lageroberflächen 36 auf. Wie zu sehen ist, ruhen die Klemmen 18 im Boden der konkaven Oberflächen 36 und 38, wenn der Aktor 24 der feste Ring 12 mit dem Gleitring 16 koppelt.
5 stellt die Positionen der Klemmen 18 dar, wenn der Aktor 24 den Gleitring 16 von der festen Laufbahn 12 abkoppelt. Wie zu sehen ist, eilt der Gleitring 16 hinter der festen Laufbahn 12 nach. Die Seiten der konkaven Lageroberflächen 36 und 38 bewirken, dass die Klemmen 18 kippen und dadurch eine radiale Kraft zwischen den Laufbahnen 12 und 16 aufbringen. Da der Gleitring 16 eine axiale Nut 34 aufweist und einen Zwischenraum 22 zwischen dem Gleitring 16 und der äußeren Welle 20 aufweist, dehnt sich der Gleitring 16 radial nach außen aus, um einen Kontakt mit der äußeren Welle 20 herzustellen. Dieser Reibungskontakt zwischen dem Gleitring 16 und der äußeren Welle 20 bindet die äußere Welle 20 an die innere Welle 14, wodurch ermöglicht wird, dass Kraft zwischen den zwei Wellen übertragen wird. Diese Wirkung ist ähnlich zu den Rollen bei der Verwendung herkömmlicher bidirektionaler Freilaufkupplungen, sie sieht jedoch eine Einsparung von Platz und eine höhere Packung von Elementen zwischen der festen Laufbahn und dem Gleitring vor, wodurch sich eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen bidirektionalen Freilaufkupplungen ergibt.
Vorzugsweise sind die konkaven Lageroberflächen gekrümmt, wie abgebildet oder weisen einen bestimmten Winkel auf, so dass die Seiten der konkaven Oberfläche gerade sind und nicht bogenförmig.
Die 6a bis 6c zeigen einen asymmetrischen Klemmkörper 40, wobei die Kupplung 10 im Freilaufmodus sich befindet. 6b zeigt Kontaktstellen 42, 44 und 46 zwischen jedem Klemmkörper 40 und Kontaktstellen 48 und 50 sind als Kontaktstellen zwischen den Ringoberflächen des Ringes 12 und 16 dargestellt. 6c zeigt die maximale radiale Erstreckung eines Klemmkörpers 40 im Freilaufzustand.
Die 7a bis 7c zeigen einen asymmetrischen Klemmkörper 40, wobei die Kupplung im gekuppelten Zustand ist. 7b zeigt die Verschiebung je der Kontaktstelle 42 bis 50 und 7c, dass die radiale Länge jedes Klemmkörpers 40 sich durch die Verschiebung des Klemmkörpers 40 erhöht.
Die Kontaktstellen 42 bis 50 des Klemmkörpers 40 bewirken, dass die Klemmkörper sich verklemmen, wobei die Orientierung der Klemmkörper beibehalten wird, ohne dass ein Käfig erforderlich ist oder dass Taschen erforderlich sind, welche die Klemmkörper so führen, dass der Gleitring eine radiale Bewegung vollführt.
Asymmetrische Formen ermöglichen die Spezialisierung von Klemmen für Kupplungsanwendungen, die kleinere Drehungen des Gleitringes vor dem Blockieren erfordern können.
Es ist zu erkennen, dass die konkave Lageroberfläche gekrümmt sein kann, wie dargestellt, oder ein spitzer Winkel sein kann, so dass die Seiten der konkaven Oberfläche flach und nicht gekrümmt sind.

10' 10: Kupplung
12' 12: fester Ring
14: innere Welle
16' 16: Gleitring
18' 18: Klemmen
20: äußere Welle
22: Zwischenraum
24: Aktor
26: Pfeil
28: Aktornocken
29: Feder
30: Pfeil
32: Rollenelemente
34' 34: axiale Nut
36: konkave Lageroberflächen
38: konkave Lageroberflächen
r₁, r₂, r₃: Radius
d₁: Abstand
40: Klemme
42: Kontaktpunkt
44: Kontaktpunkt
46: Kontaktpunkt
48: Kontaktpunkt
50: Kontaktpunkt

Claims

Bidirektionale Freilaufkupplung für die Montage zwischen einer ersten und einer zweiten koaxialen Welle und zum Übertragen von Kraft zwischen den Wellen, wobei die Kupplung enthält: (a) einen zylindrischen Gleitring mit einer ersten radialen Oberfläche für einen Reibungseingriff mit der ersten Welle und einer zweiten radialen Oberfläche mit mehreren daran ausgebildeten konkaven Lageroberflächen; (b) ein zylindrischer fester Ring mit einer ersten radialen Oberfläche, die an der ersten Welle befestigt ist, und einer zweiten radialen Oberfläche mit mehreren daran vorhandenen konkaven Lageroberflächen, wobei der feste Ring zum Gleitring koaxial ist und dieser radial gegenüberliegt und jede der konkaven Lageroberflächen der festen Laufbahn einer der konkaven Lageroberflächen des Gleitrings radial gegenüberliegt, um dazwischen Taschen zu bilden; (c) eine in jeder der Taschen angeordnete Klemme; und (d) einen Aktor, der an der festen Laufbahn befestigt ist und mit dem Gleitring beweglich in Eingriff gebracht werden kann, um den Gleitring mit der festen Laufbahn zu koppeln, und von dem Gleitring gelöst werden kann, um den Gleitring von der festen Laufbahn abzukoppeln und zu bewirken, dass jede Klemme gegen diagonal gegenüberliegende Wände der Taschen kippt und eine radiale Kraft auf den Gleitring aufbringt.
Kupplung nach Anspruch 1, wobei die erste Welle eine innere Welle ist und die zweite Welle eine äußere Welle ist.
Kupplung nach Anspruch 1, wobei die Klemmen in einer radialen Richtung symmetrisch sind.
Kupplung nach Anspruch 1, wobei die Klemmen in einer radialen Richtung nicht symmetrisch sind.