DE102008064153A1

DE102008064153A1 - Formschlüssige Freilaufkupplung

Info

Publication number: DE102008064153A1
Application number: DE200810064153
Authority: DE
Inventors: Holger Heinemann; Norbert Radinger; Thomas Dr. Smetana
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-07-01

Abstract

Eine formschlüssige Freilaufkupplung umfasst einen eine Anzahl Taschen (5) aufweisenden ersten Ring (2), einen konzentrisch zum ersten Ring (2) angeordneten, eine Rastkontur (6) aufweisenden zweiten Ring (3), sowie mindestens eine in einer Tasche (5) angeordnete, zum Eingriff in die Rastkontur (6) vorgesehene Klinke (4), wobei sich die Tasche (5) in Richtung zur Rastkontur (6) hin beidseitig verjüngt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Freilaufkupplung, welche zwei Ringe, nämlich einen Innenring und einen Außenring oder zwei axial benachbarte Ringe, eine Anzahl Taschen in einem der Ringe, mindestens eine in einer Tasche angeordnete Klinke, sowie eine durch den zweiten Ring bereitgestellte, zur Zusammenwirkung mit der Klinke vorgesehene Rastkontur aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Eine formschlüssige Freilaufkupplung, auch als Klinkensperre bezeichnet, der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der US 5,853,073 A bekannt. Die Klinken dieser Freilaufkupplung sind im Außenring angeordnet. Zur Anfederung sämtlicher Klinken sind zwei ringförmige Federn vorgesehen.
Klinkensperren sind als schlupffreie Freilaufkupplungen bewährt. Beim Sperren der Klinken, das heißt beim Drehmoment übertragenden Betrieb, treten typischerweise hohe Spreizkräfte auf, welche eine entsprechend stabile Gestaltung der Freilaufkupplung erforderlich machen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine formschlüssige Freilaufkupplung anzugeben, welche sich im Vergleich zum Stand der Technik durch besonders günstige mechanische Belastungszustände im Drehmoment übertragenden Betrieb auszeichnet.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Freilaufkupplung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Freilaufkupplung umfasst einen eine Anzahl Taschen aufweisenden ersten Ring sowie einen konzentrisch zum ersten Ring angeordneten, eine Rastkontur aufweisenden zweiten Ring. Mindestens eine zum Eingriff in die Rastkontur vorgesehene Klinke ist in einer Tasche angeordnet, welche sich in Richtung zur Rastkontur hin beidseitig verjüngt. Befindet sich die Tasche im vom Außenring radial umgebenen Innenring, so verengt sich die Tasche radial nach außen. Umgekehrt verengt sich die Tasche radial nach innen, wenn sie im den Innenring radial umgebenden Außenring gebildet ist.
In beiden Ausführungsformen weist die Tasche eine erste, im Drehmoment übertragenden Betrieb durch die Klinke hintergriffene und mit einer Kraft belastete Flanke auf, welche gegenüber der radialen Richtung des betreffenden Rings der Freilaufkupplung vorzugsweise um mindestens 5° schräggestellt ist. Die dieser Flanke gegenüberliegende zweite Flanke der Tasche ist im Freilaufbetrieb durch die Klinke hintergriffen und gegenüber der radialen Richtung des betreffenden Rings der Freilaufkupplung vorzugsweise um mindestens 10° schräggestellt. Die angegebenen Werte für die Schrägstellung der Flanken beziehen sich jeweils zumindest auf ein Teilstück der jeweiligen Flanke, beziehungsweise – im Fall einer kein gerades Teilstück aufweisenden Flanke – auf eine an diese gelegte Tangente. Die erste Flanke ist in jedem Fall gegensinnig gegenüber der radialen Richtung schräggestellt wie die zweite Flanke. Durch die Schrägstellung der beiden Flanken weitet sich die Tasche zum Boden der Tasche hin auf. Innerhalb der Tasche ist die Klinke in tangentialer Richtung verschiebbar. Hintergreift sie eine der Flanken, so ist sie von der anderen Flanke abgehoben.
In bevorzugter Ausgestaltung ist am Boden der Tasche eine die Klinke mit einer Kraft in Richtung zur Rastkontur belastende Feder angeordnet. Diese Feder ist beispielsweise als Blattfeder ausgebildet. Im Gegensatz zur Klinke ist die Feder vorzugsweise in tangentialer Richtung fixiert. Im sperrenden Zustand der Freilaufkupplung greift die Feder daher an einer anderen Stelle der Klinke an als im freilaufenden Zustand. Vorzugsweise ist der Schwerpunkt der Klinke im sperrenden Zustand der Freilaufkupplung zur ersten, drehmomentübertragenden Flanke gegenüber dem Angriffspunkt der Feder an der Klinke versetzt. Läuft die Freilaufkupplung dagegen frei, so ist der Massenschwerpunkt der Klinke vorzugsweise in tangentialer Richtung zur zweiten, die Klinke im Freilaufbetrieb abstützenden Flanke hin relativ zum Angriffspunkt, das heißt demjenigen Punkt, an dem die Federkraft effektiv auf die Oberfläche der Klinke wirkt, versetzt. Anders ausgedrückt: Beim Übergang von dem sperrenden in den freilaufenden Zustand der Freilaufkupplung wird der Massenschwerpunkt der Klinke über einen durch den Angriffspunkt der Feder an der Klinke verlaufenden Radialstrahl hinweg verschoben.
Die Klinke weist eine der Rastkontur zugewandte, erste Längsseite sowie eine dem Boden der Tasche zugewandte zweite Längsseite auf, welche vorzugsweise länger als erste Längsseite ist. Die beiden Längsseiten sind durch zwei Querseiten miteinander verbunden, nämlich eine erste, im Drehmoment übertragenden Betrieb an der ersten Flanke der Tasche anliegende Querseite und eine zweite, im Drehmoment übertragenden Betrieb in die Rastkontur eingreifende Querseite. Zumindest ein Abschnitt der letztgenannten Querseite der Klinke hintergreift im freilaufenden Betrieb die zweite Flanke der Tasche, wobei diese Flanke eine Abstützung für die Klinke bildet. In bevorzugter Ausgestaltung ist die zweite Querseite der Klinke konkav geformt. Hierbei ist ein an die erste Längsseite grenzender Abschnitt dieser Querseite zum Eingriff in die Rastkontur vorgesehen, während der zweite, gegenüber dem ersten Abschnitt abknickende Abschnitt ausschließlich im Freilaufbetrieb zur Übertragung einer Kraft, nämlich einer abstützenden Kraft zwischen der Klinke und der zweiten Flanke der Tasche, genutzt wird.
Der erste, die Taschen für die Klinken aufweisende Ring der Freilaufkupplung ist vorzugsweise aus Metall gefertigt, während zur Herstellung des zweiten, mit der Rastkontur versehenen Rings insbesondere Kunststoff geeignet ist. Die der formschlüssigen Kraftübertragung zwischen den Ringen dienenden Klinken sind besonders rationell als spanlos umgeformte Metallteile herstellbar. Die Freilaufkupplung ist insbesondere zur Verwendung als Starterfreilauf in einem Verbrennungsmotor eines Motorrads geeignet und beispielsweise für die Übertragung eines maximalen Drehmoments von 50 oder 60 Nm ausgelegt.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 eine formschlüssig arbeitende, einen Außenring, einen Innenring sowie eine Anzahl Klinken aufweisende Freilaufkupplung in sperrendem Zustand,
2 ein Detail aus der Anordnung nach 1,
3 in einer Darstellung analog 2 die Freilaufkupplung in freilaufendem Zustand,
4 den Außenring der Freilaufkupplung,
5 den Innenring der Freilaufkupplung,
6 eine Klinke der Freilaufkupplung,
7 eine zur Anfederung der Klinke vorgesehene Feder der Freilaufkupplung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Freilaufkupplung weist einen Innenring 2, einen Außenring 3, sowie drei Klinken 4 auf. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktionsweise der auch als Klinkensperre bezeichneten Freilaufkupplung 1 wird auf den eingangs erwähnten Stand der Technik verwiesen. Abhängig vom zu übertragenden Drehmoment kann auch eine andere, insbesondere höhere, Zahl an Klinken 4 vorgesehen sein. Die Freilaufkupplung 1 ist vorzugsweise als Anlasserfreilauf eines Verbrennungsmotors vorgesehen. Ein mit einem Freilauf arbeitender Anlasser eines Verbrennungsmotors ist prinzipiell beispielsweise aus der DE 103 14 769 A1 bekannt.
Jede Klinke 4 ist in einer im Innenring 2 gebildeten Tasche 5 angeordnet, welche in 2 mit Veranschaulichung von im sperrenden Betrieb der Freilaufkupplung 1 wirkenden Kräften genauer dargestellt ist. Die Klinke 4 greift in der Anordnung nach den 1 und 2 in eine der Tasche 5 gegenüberliegende, durch den Außenring 3 gebildete Rastkontur 6 ein. Eine erste Querseite 7 der Klinke 4 liegt an einer ersten Flanke 8 der Tasche 5 an. Die exakt in tangentialer Richtung der Freilaufkupplung 1 vom Innenring 2 auf die Klinke 4 übertragene Kraft ist mit F_Ti (Tangentialkraft innen) bezeichnet. Der zugehörige Radius trägt die Bezeichnung r_i (Innenradius). Hieraus ergibt sich ein zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 übertragenes Drehmoment T = F_Ti·r_i.
Im Unterschied zur inneren Tangentialkraft F_Ti wirkt eine mit F_TNi (Normaltangentialkraft innen) gekennzeichnete, einen Normalenvektor der ersten Quersei te 7 der Klinke 4 beschreibende Kraft nicht exakt in tangentialer Richtung der Freilaufkupplung 1, sondern schließt mit dieser Richtung einen als Lastflankenwinkel bezeichneten Winkel α von mindestens 5° ein. Die orthogonal auf die erste Querseite 7 wirkende Kraft F_TNi ist somit leicht radial nach innen gerichtet. Dies wird dadurch erreicht, dass die erste Flanke 8 entsprechend dem Winkel α gegenüber einem durch die Drehachse der Freilaufkupplung 1 verlaufenden Radialstrahl derart schräggestellt ist, dass sich die Tasche 5 zur Rastkontur 6 hin zuzieht. Eine Verjüngung der Tasche 5 radial nach außen, das heißt zum Außenring 3 hin, ist auch auf der der ersten Flanke 8 gegenüberliegenden Flanke 9 der Tasche 5 sichtbar. Diese zweite Flanke 9 wird im blockierten Betrieb der Freilaufkupplung 1 nicht durch die Klinke 4 kontaktiert.
Die der ersten Querseite 7 gegenüberliegende zweite Querseite 10 der Klinke 4 weist eine konkav abgeknickte Form mit einem äußeren Abschnitt 11 und einem inneren Abschnitt 12 auf, wobei der äußere Abschnitt 11 in der Anordnung nach 2, das heißt bei sperrender Freilaufkupplung 1, in die Rastkontur 6 des Außenrings 3 formschlüssig eingreift. Die effektiv zwischen dem Außenring 3 und der Klinke 4 in tangentialer Richtung übertragene Kraft wird mit F_Ta (Tangentialkraft außen), der entsprechende Radius mit r_a (Außenradius) bezeichnet. Das zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 über die Klinke 4 übertragene Drehmoment T ist somit als T = F_Ta·r_i ausdrückbar. Die orthogonal auf den äußeren Abschnitt 11 der zweiten Querseite 10 der Klinke 4 vom Außenring 3 übertragene Kraft ist mit F_TNa (Normaltangentialkraft außen) bezeichnet und geringfügig radial nach innen gerichtet, wobei mit der äußeren Tangentialkraft F_Ta ein Winkel von mindestens 5°, jedoch nicht mehr als 15°, eingeschlossen ist. Eine weitere Belastung in radialer Richtung wirkt zwischen der Rastkontur 6 und einer ersten oder äußeren Längsseite 13 der Klinke 4. Die entsprechende Kraft ist mit F_RNa (Normalradialkraft außen) bezeichnet und wirkt nicht exakt in radialer Richtung der Ringe 2, 3. Aufgrund der jeweils leicht nach innen gerichteten Kräfte F_TNi und F_TNa bleibt die äußere Normalradialkraft F_RNa in einem moderaten Bereich, was die Herstellung des Außenrings 3 aus einem mechanisch relativ gering belastbaren Material, insbesondere Kunststoff, beispielsweise PPS (Polyphenylensulfid), insbesondere PPS GF 40, PA46, PA66 (Polyamid), insbesondere PA46 GF25, oder einem glasfaserverstärkten Phenol, begünstigt. Aus jedem der genannten Materialien ist der Außenring 3 im Spritzgussverfahren herstellbar.
Zusätzlich zur ersten Flanke 8 der Tasche 5 stellt im gesperrten Betrieb der Freilaufkupplung 1 ein Boden 14 der Tasche 5 eine Anlagefläche für die Klinke 4 bereit. Die unmittelbar zwischen einer zweiten oder inneren Längsseite 15 der Klinke 4 und dem Boden 14 übertragene Kraft ist mit F_RNi (Normalradialkraft innen) bezeichnet und wirkt hauptsächlich, jedoch nicht exakt, in radialer Richtung der Freilaufkupplung 1. Am Boden 14 der Tasche 5 ist weiter eine Feder 16 angeordnet, welche eine Federkraft F_S vom Innenring 2 auf die Klinke 4 überträgt. Die Federkraft F_S greift annähernd mittig zwischen den Querseiten 7, 10, etwas zur zweiten Querseite 10 hin versetzt, an der zweiten Längsseite 15 die Klinke 4 an. Die innere Normalradialkraft F_RNi greift zwischen der ersten Querseite 7 und dem Angriffspunkt der Federkraft F_S an der inneren Längsseite 15 an und ist größer als die äußere Normalradialkraft F_RNa. Insgesamt werden über die Klinke 4 im gesperrten Betrieb der Freilaufkupplung 1 höhere Kräfte in tangentialer Richtung als in radialer Richtung übertragen. Es wirken somit nur geringe Spreizkräfte zwischen den Ringen 2, 3.
Beim Übergang vom blockierten Betrieb zum freilaufenden Betrieb der Freilaufkupplung 1, wie in 3 dargestellt, verlagert sich die Klinke 4 von der ersten Flanke 7 im Wesentlichen in tangentialer Richtung zur zweiten Flanke 8, bis sie an dieser anschlägt und hierbei derart in der Tasche 5 einliegt, dass sie nicht in rein radialer Richtung aus der Tasche 5 nach außen entfernbar ist. Die Klinke 4 hintergreift also die zweite Flanke 8, ähnlich wie im blockierten Betrieb die erste Flanke 7 hintergriffen ist. Eine hauptsächlich tangential wirkende Kraft F_TNi wird im freilaufenden Betrieb zwischen dem inneren Abschnitt 12 der Klinke 4 und der zweiten Flanke 9 übertragen. Der zwischen dieser Kraft F_TNi und der tangentialen Richtung des Innenrings 2 eingeschlossene Winkel ist als Freilaufflankenwinkel β bezeichnet und beträgt mindestens 10°, insbesondere doppelt soviel wie der Lastflankenwinkel α.
Der Außenring 3 rotiert in der Anordnung nach 3 relativ zum Innenring 2 mit Winkelgeschwindigkeit ω. Dabei wirkt zwischen der Klinke 4 und dem Außenring 3 eine Reibungskraft F_fa = μ·F_RNa, wobei µ den Reibungskoeffizienten bezeichnet. Auf die Klinke 4 wirkt zusätzlich zur Federkraft F_S die Zentrifugalkraft F_C = m r ω_i ², wobei m die Masse der Klinke 4, ω_i die absolute Winkelgeschwindigkeit des Innenrings 2 und r den mittleren Radius, das heißt den Abstand zwischen dem Schwerpunkt der Klinke 4 und der Drehachse des Innenrings 2 bezeichnet. In tangentialer Richtung betrachtet wirkt die am Schwerpunkt der Klinke 4 angreifende Zentrifugalkraft F_C in einem Umfangsbereich zwischen den Angriffspunkten der äußeren Normalradialkraft F_RNa und der inneren Normaltangentialkraft F_TNi. Die Klinke 4 ist somit auch im freilaufenden Zustand in erheblichem Maße durch den Innenring 2 in radialer Richtung abgestützt, was die Belastung des Außenrings 3 reduziert. Die kombinierte radiale Abstützung durch den Innenring 2 sowie durch die Rastkontur 6 des Außenrings 3 sorgt zudem für einen geräuscharmen Betrieb der Freilaufkupplung 1. Während des Freilaufbetriebs bleibt die Klinke 4 permanent in Kontakt mit der zweiten Flanke 8 der Tasche 5.
Einzelteile der Freilaufkupplung 1, nämlich der Außenring 3, der Innenring 2, eine Klinke 4 und eine Feder 16, sind in den 4 bis 7 dargestellt. Der aus Kunststoff hergestellte Außenring 3 weist eine Verrippung 17 auf, welche unter anderem auf die Rastkontur 6 wirkende Radialkräfte aufnimmt. An seinem Umfang weist der Außenring 3 eine Verzahnung 18, nämlich eine Evolventenverzahnung mit seitlicher Abstützung, auf. Ein innerer ringförmiger Absatz 19 des Außenrings 3 dient der Gleitlagerung des Innenrings 2 auf dem Außenring 3. Der Innenring 2 ist durch Feinschneiden aus Stahl hergestellt und vorzugsweise nitrocarburiert. Alternativ ist der Innenring 2 beispielsweise als Sinterteil herstellbar. Die Klinken 4 sind ebenso als Feinschneidteile herstellbar oder, wie in 7 dargestellt, aus Blech gezogen, wobei sie einen Hohlraum 19 aufweisen, welcher beispielsweise als Fettreservoir nutzbar ist. Die hohle Form der Klinken 4 sorgt zudem für eine zumindest geringfügige elastische Nachgiebigkeit, welche die mechanischen Belastungen beim Einrastvorgang, das heißt beim Übergang vom Betriebszustand nach 3 in den Betriebszustand nach den 1 und 2, gering hält.

1: Freilaufkupplung
2: Innenring
3: Außenring
4: Klinke
5: Tasche
6: Rastkontur
7: erste Querseite
8: erste Flanke
9: zweite Flanke
10: zweite Querseite
11: äußerer Abschnitt
12: innerer Abschnitt
13: erste Längsseite
14: Boden
15: zweite Längsseite
16: Feder
17: Verrippung
18: Verzahnung
19: Absatz
20: Hohlraum Lastflankenwinkel
β: Freilaufflankenwinkel
µ: Reibungskoeffizient Winkelgeschwindigkeit
ω_i: Winkelgeschwindigkeit des Innenrings
F_C: Zentrifugalkraft
F_fa: Reibungskraft außen
F_RNa: Normalradialkraft außen
F_RNi: Normalradialkraft innen
F_S: Federkraft
F_Ta: Tangentialkraft außen
F_Ti: Tangentialkraft innen
F_TNa: Normaltangentialkraft außen
F_TNi: Normaltangentialkraft innen
m: Masse
r: Radius
r_a: Außenradius
r_i: Innenradius
T: Drehmoment

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 5853073 A [0002]
- DE 10314769 A1 [0018]

Claims

Formschlüssige Freilaufkupplung, mit einem eine Anzahl Taschen (5) aufweisenden ersten Ring (2), einem konzentrisch zum ersten Ring (2) angeordneten, eine Rastkontur (6) aufweisenden zweiten Ring (3), sowie mit mindestens einer in einer Tasche (5) angeordneten, zum Eingriff in die Rastkontur (6) vorgesehenen Klinke (4), dadurch gekennzeichnet, dass sich die Tasche (5) in Richtung zur Rastkontur (6) hin beidseitig verjüngt.
Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasche (5) eine erste, im Drehmoment übertragenden Betrieb durch die Klinke (4) hintergriffene und mit einer Kraft belastete Flanke (8) aufweist.
Freilaufkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Tangentialrichtung des ersten Rings (2) und einer Flächennormalen der ersten Flanke (8) eingeschlossener Winkel (α) mindestens 5° beträgt.
Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tasche (5) eine zweite, im Freilaufbetrieb durch die Klinke (4) hintergriffene Flanke (9) aufweist.
Freilaufkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen der Tangentialrichtung des ersten Rings (2) und einer Flächennormalen der zweiten Flanke (9) eingeschlossener Winkel (β) mindestens 10° beträgt.
Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Boden (14) der Tasche (5) eine die Klinke (4) mit einer Kraft in Richtung zur Rastkontur (6) belastende Feder (16) angeordnet ist.
Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinke (4) eine der Rastkontur (6) zugewandte erste Längsseite (13), eine der Rastkontur (6) abgewandte, im Vergleich zur ersten Längsseite (13) längere zweite Längsseite (15), sowie zwei Querseiten (7, 10), nämlich eine erste, im Drehmoment übertragenden Betrieb an der Tasche (5) anliegende Querseite (7) und eine zweite, im Drehmoment übertragenden Betrieb in die Rastkontur (6) eingreifende Querseite (10) aufweist.
Freilaufkupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Querseite (10) der Klinke (4) konkav geformt ist.
Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ring (3) aus Kunststoff gefertigt ist.
Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Klinke (4) als spanlos umgeformtes Metallteil ausgebildet ist.
Freilaufkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Ring (2) als Innenring ausgebildet ist.
Verwendung einer Freilaufkupplung nach Anspruch 1 als Anlasserfreilauf eines Verbrennungsmotors.