DE102008038060A1 - Freilaufkupplung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Freilaufkupplung, mit zwischen einem kreiszylindrischen Innenteil (9) und einem dazu konzentrischen Außenteil (10) in Umfangsrichtung hintereinander kippbar angeordneten, in fensterartigen Aussparungen (6) eines Käfigs geführten Klemmkörpern (8). Damit die Freilaufkupplung kostengünstig sowie einfach in der Herstellung ist und dennoch eine hohe Belastbarkeit, Betriebssicherheit und Langlebigkeit aufweist, ist der Käfig (2) zumindest im Bereich von in Achsrichtung verlaufender Begrenzungswände (7) der Aussparungen (6) aus einem elastomerartigen Werkstoff gefertigt, wobei die Klemmkörper (8) beim Kippen durch elastisches Verformen der Begrenzungswände (7) anfederbar sind.

Description

• Gebiet der Erfindung
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Freilaufkupplung, mit zwischen einem kreiszylindrischen Innenteil und einem dazu konzentrischen Außenteil in Umfangsrichtung hintereinander kippbar angeordneten, in fensterartigen Aussparungen eines Käfigs geführten Klemmkörpern.
• Hintergrund der Erfindung
• Derartige Freilaufkupplungen, auch als Klemmkörperfreilauf bezeichnet, haben sich als Antriebs-, Einstell- und Sperrelemente in verschiedensten Anwendungsbereichen, beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich und im industriellen Anlagen- und Maschinenbau, bereits vielfach bewährt.
• In einer gängigen Bauart befinden sich zwischen einem Innenring und einem Außenring einzeln angefederte taillierte Klemmkörper, die bei einer Drehung des Außen- und/oder Innenrings durch Kippbewegungen eine kraftschlüssige Verbindung zwischen den Ringen herstellen, sofern die auftretenden Reibkräfte der an den Ringinnenflächen anliegenden Klemmkörperabschnitte die am Umfang angreifenden Kräfte übersteigen. Liegen die Klemmkörper hingegen ein- oder beidseitig nicht bzw. lose an, so ist die kraftschlüssige Verbindung gelöst und der Freilauf läuft frei. Der Verlauf der Klemmkräfte und ein damit einhergehendes Drehmomentübertragungspotenzial wird vom Eindrehwinkel, dem wirksamen Reibkoeffizienten sowie der Kontur und der Anzahl der Klemmkörper bestimmt.
• Üblicherweise ist zur Aufnahme der Klemmkörper ein Käfig aus Stahl oder mittlerweile auch aus faserverstärktem Kunststoff und zur Anfederung der Klemmkörper ein ringförmiges Stahlfederband vorgesehen. Die DE 10 2005 046 896 A1 zeigt einen solchen Freilauf, bei dem ein Federband radial innerhalb eines Käfigs mit Vorspannung eingesetzt ist. Das Federband weist, den Taschen des Käfigs entsprechend, Ausstanzungen zur Aufnahme der Klemmkörper auf. In den Ausstanzungen sind vorgebogene Federzungen ausgespart, die in die gegenüberliegenden Taschen hineinragen, wodurch die Klemmkörper zur Unterstützung des Übergangs zwischen Freilauf und Momentenübertragung in Richtung einer Klemmposition mit einer Kraft beaufschlagt sind. Diese Anordnung besitzt besonders günstige Betriebseigenschaften, da durch die vorgebogene Form der Federzungen zum einen und durch eine schwimmende Lagerung der Klemmkörper und offene Enden des Federbandes zum anderen, sowohl mechanische Spannungsspitzen beim Kippen der Klemmkörper vermieden werden, als auch Fertigungstoleranzen oder ein unterschiedliches thermisches Verhalten von Käfig und Federband in bestimmten Grenzen kompensierbar sind.
• Die DE 103 10 225 A1 zeigt eine weitere Freilaufkupplung der Bauart mit Käfig und Federband. Darin ist jeweils an der Käfigtasche zur Aufnahme des Klemmkörpers eine Fase oder gewölbter Flächenabschnitt ausgebildet, die ein flächiges, formschlüssiges Anlegen einer jeweiligen Federzunge am Käfig ermöglicht. Dadurch ist der Kippweg der Klemmkörper und damit der Federzungen in Richtung abgehobener, also nicht klemmender Stellung, begrenzt, was sich günstig auf die Lebensdauer des Federbandes auswirken kann. Zudem ist die Freilaufkupplung weniger vibrationsempfindlich.
• Bekannt sind auch Freilaufkupplungen, bei denen nur ein einziges Bauteil gemeinsam für die Funktionen von Käfig und Federband vorgesehen ist, wodurch ein Bauteil eingespart wird. Die DE 1 142 254 B zeigt eine solche Freilaufkupplung, bei der ein Klemmkörperkäfig aus einem ringförmigen elastischen Blechband ausgebildet ist, also der Käfig gleichzeitig als Anfederungsteil fungiert. Das Blechband weist Aussparungen auf, an deren einen Querseite jeweils eine Federzunge hervorragt. Die Klemmkörper sind in die Aussparungen so eingesetzt, dass sie von der Federzunge in Klemmrichtung mit einem Kippmoment beaufschlagt sind. Zusätzlich sind in Umfangsrichtung, zwischen den Klemmkörpern positionierte, elastische, wellenartige Biegefalten an dem Käfig ausgebildet. Diese Falten sowie gegebenenfalls an den Federzungen vorgesehene ähnliche Biegefalten machen den Freilauf konstruktiv relativ aufwendig und verschleißanfällig.
• Die DE 103 46 078 A1 zeigt schließlich eine Freilaufkupplung, die ein Federband aufweist, das gleichzeitig als Aufnahmeelement für die Klemmkörper, also als Käfig, fungiert bzw. bei der gänzlich auf einen Käfig verzichtet wird. Das Federband besitzt einfache rechteckige Federzungen, die an Aussparungen zur Aufnahme der Klemmkörper hervorstehen. Die Klemmkörper sind derart konturiert, dass sich die jeweils benachbarten Klemmkörper in Umfangsrichtung in Wirkverbindung mit den Federzungen gegenseitig abstützen.
• In den beiden letztgenannten Druckschriften wird bei den dortigen Freilaufkupplungen zwar ein Bauteil eingespart. Eine Führung und Positionierung der Klemmkörper lediglich durch ein dünnwandiges Federband, so wie in diesen Druckschriften vorgeschlagen, setzt das Federband jedoch, im Vergleich zu den bekannten Freiläufen mit separatem Käfig, einer erhöhten Belastung aus. Da es sowohl für die Anfederung als auch für die Positionierung der Klemmkörper verwendet wird, ist insbesondere hinsichtlich der Verschleißfestigkeit der Federzungen sowie hinsichtlich der Führungsgenauigkeit der Blechkanten der Klemmkörpertaschen ein relativ hoher Fertigungsaufwand erforderlich. Die bekannten Freiläufe mit doppelfunktionalem Käfig bzw. Federband sind daher eher für vergleichsweise geringe Anforderungen geeignet.
• Aufgabe der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Klemmkörperfreilauf zu entwickeln, der möglichst kostengünstig und einfach in der Herstellung ist und dennoch eine hohe Belastbarkeit, Betriebssicherheit und Langlebigkeit aufweist.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Klemmkörperfreilauf mit einem Käfig aus einem Elastomermaterial die Funktion des üblichen Federbandes in den Käfig integriert werden kann, ohne die Geometrie des Käfigs gegenüber herkömmlichen Freiläufen grundlegend zu ändern oder die Funktionalität des Freilaufs herabzusetzen.
• Die Erfindung geht daher aus von einer Freilaufkupplung, mit zwischen einem kreiszylindrischen Innenteil und einem dazu konzentrischen Außenteil in Umfangsrichtung hintereinander kippbar angeordneten, in fensterartigen Aussparungen eines Käfigs geführten Klemmkörpern. Zudem ist vorgesehen, dass der Käfig zumindest im Bereich von in Achsrichtung verlaufender Begrenzungswände der Aussparungen aus einem elastomerartigen Werkstoff gefertigt ist, wobei die Klemmkörper beim Kippen durch elastisches Verformen der Begrenzungswände anfederbar sind.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Käfig vollständig aus einem Elastomer hergestellt. Die Aussparungen zur Aufnahme der Klemmkörper sind dabei vorteilhaft als quaderförmige Taschen ausgebildet, wobei die parallel zur Kupplungsachse verlaufenden Begrenzungswände der Aussparungen, die Längsseiten des Käfigs verbindende Querstege bilden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, nur die Stege des Käfigs aus einem Elastomerwerkstoff mit den geforderten Federungseigenschaften zu fertigen, während die ringförmigen axialen Seitenteile des Käfigs aus einem Metall oder einem stabi len Kunststoff bestehen.
• Durch diesen Aufbau wird vorteilhaft erreicht, dass durch elastische Verformung der Käfigstege einerseits im Kupplungsbetrieb die Klemmkörper angefedert werden, andererseits die Taschen des Käfigs in Leerlaufstellung die Klemmkörper in Position, d. h. in Klemmbereitschaft, halten. Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Freilaufkupplung entspricht grundsätzlich der Funktionsweise bekannter Freilaufkupplungen. Durch die Erfindung wird jedoch eine besonders kostengünstige und einfache Freilaufkupplung zur Verfügung gestellt, die insbesondere ohne ein Federband auskommt, also die Anzahl der Bauteile vorteilhaft reduziert, aber dennoch die Funktionalität, Betriebsqualität und Langlebigkeit herkömmlicher Freilaufkupplungen besitzt. Gegenüber herkömmlichen Freiläufen wird zudem eine Montagevereinfachung erreicht, die ein leichtes Zusammenfügen der Freilaufkomponenten ermöglicht und die sich insbesondere in der Serienfertigung zusätzlich Zeit- und Kosten sparend auswirkt.
• Als ein besonders geeigneter Werkstoff zur Herstellung eines erfindungsgemäßen flexiblen Freilauf-Käfigs hat sich in Versuchsreihen überraschenderweise Nitrilkautschuk, kurz NBR (Nitrile Butadiene Rubber) herausgestellt. Dieses synthetische Gummimaterial ist in verschiedenen Formen und Spezifikationen relativ kostengünstig erhältlich. Es weist eine hohe Vibrationsabsorptionsfähigkeit auf, ist beständig gegen Öle, Fette und Kohlenwasserstoffe, besitzt einen geringen Abrieb sowie ein günstiges Alterungsverhalten und kann in einem weiten Temperaturbereich von –30°C bis +120°C eingesetzt werden. Die Materialeigenschaften dieses Polymerisats können zudem bei dessen Herstellung durch verschieden große Anteile von Butadien und Acrylnitril an relevante günstige Betriebsparameter des Käfigs, wie beispielsweise Dämpfungsverhalten, Temperaturverhalten und andere, angepasst werden. Grundsätzlich sind selbstverständlich auch andere elastomerartige Werkstoffe geeignet.
• Eine solche Freilaufkupplung mit einem Käfig aus NBR kann beispielsweise als eine kostengünstige robuste Rücklaufsperre in einem Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeuges verbaut sein. Die Erfindung ist aber nicht auf Anwendungen im Kraftfahrzeugbereich beschränkt.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Die Erfindung wird im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen an einer Ausführungsform näher erläutert. Darin zeigt
• 1 einen Klemmkörperkäfig eines Klemmkörperfreilaufs gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,
• 2 einen vergrößerten Detailausschnitt des Käfigs gemäß 1,
• 3 eine Klemmkörperanordnung in einem Freilauf-Käfig gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht in einem vergrößerten Ausschnitt,
• 4 den Klemmkörperfreilauf gemäß 3 in einer ersten Betriebsstellung in einer Seitenansicht in einem vergrößerten Ausschnitt, und
• 5 den Klemmkörperfreilauf gemäß 4 in einer zweiten Betriebsstellung in einer Seitenansicht im vergrößerten Ausschnitt.
• Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
• Die 1 zeigt demnach einen, vorteilhaft einstückig aus einem Nitrilkautschuk (NBR) gefertigten, elastischen Käfig 2 einer als Klemmkörperfreilauf 1 ausgebildeten Freilaufkupplung.
• Der Klemmkörperkäfig 2 besteht aus zwei ringförmigen Seitenteilen 3 und 4, die mit einem überstehenden radialen Rand durch Querstege 5 zu einem zylindrischen Bauteil miteinander verbunden sind. Zwischen den Käfigstegen 5 sind äquidistante Aussparungen 6 zur Aufnahme von Klemmkörpern 8 (3 bis 5) ausgebildet. 2 zeigt eine dieser Aussparungen 6 im Detail. Sie besitzt eine rechteckige Grundfläche, so dass, entsprechend der Wandstärke des Käfigs 2, eine quaderförmige Tasche ausgebildet ist, in die ein zugeordneter Klemmkörper 8 einsetzbar ist. Die parallel zur Kupplungsachse ausgerichteten Begrenzungswände 7 der Taschen 6 bilden die Querseiten der Stege 5.
• Der Klemmkörperfreilauf 1 (4) besteht aus einem Innenring 9, der auch als eine Welle ausgebildet sein kann, einem dazu konzentrischen Außenring 10, dem NBR-Käfig 2 und den in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Klemmkörpern 8. Die Klemmkörper 8 sind als asymmetrische taillierte Stützen ausgebildet, die, eingesetzt in die Taschen 6, in Wirkverbindung mit dem Innenring 9 bzw. dem Außenring 10 sowie den Käfigstegen 5, kippwinkel- und kipprichtungsabhängig eine Drehmomentübertragung sowie einen Leerlauf der Freilaufkupplung ermöglichen.
• Die 3 zeigt zunächst zur Verdeutlichung der Halterung der Klemmkörper 8 im Käfig 2 eine Grundposition, in der die Klemmkörper 8 ohne Einfluss von Innen- und Außenring 9, 10 lose in den Taschen 6 sitzen.
• 4 zeigt den Freilauf 1 in einer ersten Betriebsstellung. Die Klemmkörper 8 liegen im Uhrzeigersinn eingerollt sowohl am Innenring 9 als auch am Außenring 10 an. Dabei werden jeweils diagonal gegenüberliegende Abschnitte der Käfigstege 5 elastisch verformt, wobei der Kippbewegung der Klemmkörper 8, entsprechend der Verformung der Käfigstege 5, eine Federkraft entgegengesetzt wird, so dass die Klemmkörper 8 angefedert sind. Bei einer Drehung von Außenring 10 bzw. Innenring 9 wird, je nach Drehrichtung und Winkelgeschwindigkeit der Ringe 9, 10 und davon abhängiger Einrollrichtung und Einrollwinkel der Klemmkörper 8, über jeweilige außenringseitige und innenringseitige Anlegepunkte zwischen den Klemmkörperkonturen und dazu benachbarten Ringflächen, eine Verbindung zwischen Innenring 9 und Außenring 10 mit unterschiedlichen Klemmwirkungen und Klemmkurven erzeugt oder ein Freilauf eingestellt.
• 5 zeigt den Freilauf 1 in einer zweiten Betriebsstellung, bei der eine hohe Winkelgeschwindigkeit des Außenrings 10 im Uhrzeigersinn bzw. ein großer entsprechender Winkelgeschwindigkeitsüberschuss gegenüber dem Innenring 9 aufgrund von Zentrifugalkräften ein Abheben der Klemmkörper 8 vom Innenring 9 bewirkt.

1

Klemmkörperfreilauf

2

Käfig

3

Seitenteil

4

Seitenteil

5

Steg

6

Aussparung/Tasche

7

Begrenzungswand

8

Klemmkörper

9

Innenring

10

Außenring

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• - DE 102005046896 A1 [0004]
• - DE 10310225 A1 [0005]
• - DE 1142254 B [0006]
• - DE 10346078 A1 [0007]

Claims (9)

1. Freilaufkupplung, mit zwischen einem kreiszylindrischen Innenteil (9) und einem dazu konzentrischen Außenteil (10) in Umfangsrichtung hintereinander kippbar angeordneten, in fensterartigen Aussparungen (6) eines Käfigs (2) geführten Klemmkörpern (8), dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (2) zumindest im Bereich in Achsrichtung verlaufender Begrenzungswände (7) der Aussparungen (6) aus einem elastomerartigen Werkstoff gefertigt ist, wobei die Klemmkörper (8) beim Kippen durch elastisches Verformen der Begrenzungswände (7) anfederbar sind.
2. Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (2) vollständig aus einem elastomerartigen Werkstoff gefertigt ist.
3. Freilaufkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (6) zur Aufnahme der Klemmkörper (8) als quaderförmige Taschen ausgebildet sind.
4. Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzungswände (7) der Aussparungen (6) parallel zur Kupplungsachse verlaufenden Querstegen (5) zugehörig sind.
5. Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (6) die Klemmkörper (8) in einer Leerlaufstellung in einer Klemmbereitschaftsposition halten.
6. Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elastomerartige Werkstoff ein Nitrilkautschuk ist.
7. Freilaufkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung des verwendeten Nitrilkautschuks an vorgegebene Betriebsparameter des Käfigs (2) angepasst ist.
8. Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wahl des elastomerartigen Werkstoffes wenigstens ein Betriebsparameter aus der Gruppe Dämpfungsverhalten, Temperaturverhalten, Alterungsverhalten und chemische Beständigkeit berücksichtigt wird.
9. Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie als eine Rücklaufsperre für ein Automatikgetriebe eines Kraftfahrzeuges ausgebildet ist.