DE102010052922A1

DE102010052922A1 - Rollenfreilauf

Info

Publication number: DE102010052922A1
Application number: DE102010052922A
Authority: DE
Inventors: Dr. Smetana Tomas
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-11-30
Filing date: 2010-11-30
Publication date: 2012-05-31

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rollenfreilauf (1) mit einem am Außenumfang (7) mit über den Umfang verteilten Klemmrampen (8) versehenen Innenring (6), einem radial außerhalb des Innenrings (6) angeordneten Außenring (2) mit einer zylindrischen Innenumfangsfläche (5) sowie über den Umfang verteilten, in einem durch Außenumfang (7) und die Innenumfangsfläche (5) gebildeten Spaltraum (10) aufgenommenen Klemmrollen (9). Um den Wirkungsgrad derartiger Rollenfreiläufe zu verbessern, werden die Klemmrollen (9) in einem drehfest mit dem Innenring (6) verbundenen Käfig (11) entlang jeweils einer Klemmrampe (8) begrenzt verlagerbar aufgenommen und radial und in Umfangsrichtung elastisch gegenüber der Klemmrampe (8) vorgespannt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Rollenfreilauf mit einem am Außenumfang mit über den Umfang verteilten Klemmrampen versehenen Innenring, einem radial außerhalb des Innenrings angeordneten Außenring mit einer zylindrischen Innenumfangsfläche sowie über den Umfang verteilten, in einem durch Außenumfang und Innenumfang gebildeten Spaltraum aufgenommenen Klemmrollen.
Hintergrund der Erfindung
Ein Rollenfreilauf der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 10 2008 058 194 A1 bekannt. Hierbei werden über den Umfang verteilte Klemmrollen in einem Spaltraum zwischen einer zylinderförmig ausgebildeten Innenumfangsfläche eines Außenrings und einem mit Klemmrampen ausgebildeten Außenumfang eines Innenrings untergebracht. Die Klemmrollen werden dabei jeweils stirnseitig in einem Federelement aufgenommen, wodurch die Klemmrollen gegen die Innenumfangsflächen angefedert untergebracht sind. Infolge der Wirkung der Federelemente in Richtung der Innenumfangsfläche werden insbesondere im Leerlauf wie Überrollmodus des Rollenfreilaufs gegen den in Überrollrichtung schnell drehenden Außenring gedrückt. Hieraus kann eine Verschlechterung des Wirkungsgrades infolge erhöhter Reibung im Überrollmodus insbesondere bei hohen Gleitreibungsanteilen der Klemmrollen zu dem Außenring resultieren. Weiterhin kann bei einer Richtungsumkehr des Außenrings gegenüber dem Innenring in den Übertragungsmodus wie klemmenden Zustand, bei dem Drehmoment zwischen Innenring und Außenring übertragen wird, eine hohe Beschleunigung der Klemmrollen auftreten, wodurch die Schaltgenauigkeit des Rollenfreilaufs leidet.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Rollenfreilauf in der Weise zu verbessern, dass dessen Wirkungsgrad und dessen Schaltgenauigkeit verbessert werden.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch einen Rollenfreilauf mit einem am Außenumfang mit über den Umfang verteilten Klemmrampen versehenen Innenring, einem radial außerhalb des Innenrings angeordneten Außenring mit einer zylindrischen Innenumfangsfläche sowie über den Umfang verteilten, in einem durch Außenumfang und Innenumfang gebildeten Spaltraum aufgenommenen Klemmrollen gelöst, wobei die Klemmrollen in einem drehfest mit dem Innenring verbundenen Käfig entlang jeweils einer Klemmrampe begrenzt verlagerbar aufgenommen sind und in Umfangsrichtung und radial elastisch gegenüber der Klemmrampe vorgespannt sind. Durch die Vorspannung der Klemmrollen gegenüber dem Innenring wird der Außenring im Überrollmodus weniger abgebremst beziehungsweise kann mit verringertem Widerstand drehen, so dass der Wirkungsgrad des Rollenfreilaufs zunimmt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Klemmrollen im Überrollmodus gegenüber dem Außenring mit Radialspiel versehen, so dass der Außenring im Überrollmodus frei drehen kann und der Rollenfreilauf mit einem besonders hohen Wirkungsgrad und kleiner Massenträgheit ausgebildet werden. Weiterhin liegen die Klemmrollen unter radialer Vorspannung an dem Innenring an, so dass beim Schalten des Rollenfreilaufs in Form einer Relativverdrehung von Außenring und Innenring die Klemmrollen zuverlässig auf den Rampen abwälzen und somit die Schaltgenauigkeit gesteigert werden kann. Im Weiteren können sich nach dem Schalten des Rollenfreilaufs in den Überrollmodus gegebenenfalls schwingende Klemmrollen an dem Innenring beruhigen, ohne den Außenring dabei zu stören.
In vorteilhafter Weise ist der Käfig aus zwei miteinander axial fest verbundenen Käfigscheiben gebildet, die jeweils drehfest an den Klemmrampen aufgenommen sind, indem diese zumindest teilweise das Außenumfangsprofil des Innenrings mit den Klemmrampen komplementär nachbilden. Die beiden Käfigscheiben sind bevorzugt axial beispielsweise mittels über den Umfang verteilter Stifte beabstandet verbunden und weisen über den Umfang verteilte Öffnungen auf, in die axiale Erweiterungen eines Innenteils der Klemmrollen eingreifen. Diese axialen Erweiterungen sind bevorzugt als axiale Zapfen kleineren Durchmessers als der Außendurchmesser der Klemmrollen ausgebildet und greifen jeweils axial in die gegenüberliegenden Öffnungen der Käfigscheiben ein. Um die funktionell notwendige begrenzte Verlagerung der Klemmrollen in Umfangsrichtung entlang der Klemmrampen mit der dadurch bedingten Radialverlagerung an den Innenumfang des Außenrings vorzusehen, sind die Öffnungen als sich in Umfangsrichtung und in radiale Richtung im Wesentlichen dem Verlauf der Klemmrampen folgende Langlöcher ausgebildet.
Dabei wird gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel zwischen den Klemmrollen und zumindest einer Käfigscheibe eine die Klemmrollen mit einer Normalkraft und einer entgegen einer Drehrichtung des Innenrings wirksamen Transversalkraft beaufschlagende Drahtfeder vorgesehen. Diese Drahtfeder kann einteilig mit jeweils einer Rampe zur Beaufschlagung einer Klemmrolle ausgebildet sein. Dabei kann die Steigung der Rampen größer als die Steigung der Öffnungen in den Käfigscheiben beziehungsweise der Klemmrampen sein, so dass mit zunehmender Relativverdrehung von Innen- und Außenring gegeneinander eine Tangentialkraft zwischen Klemmrolle und Rampe ausgebildet wird. Hierbei greift jeweils eine Rampe einer Drahtfeder an dem Zapfen der Klemmrollen an. In bevorzugter Weise können zwei Drahtfedern jeweils zwischen den stirnseitigen Enden der Klemmrollen und den Käfigscheiben angeordnet werden. Zur Verminderung der Federkraft kann die Drahtfeder einseitig offen sein, so dass ein Teil der Federelastizität durch Öffnung der Drahtfeder erzielt werden kann.
Je nach Größe des zu übertragenden Drehmoments können ein oder mehrere axial nebeneinander angeordnete Sätze wie Klemmrollenkränze über den Umfang verteilter Klemmrollen vorgesehen sein.
Durch die Unterbringung der Vorspannungselemente wie Drahtfedern axial neben den Klemmrollen können diese in Umfangsrichtung eng geschichtet werden und einen kleinen Durchmesser ausbilden, so dass eine hohe Anzahl kleiner Klemmrollen über den Umfang verteilt werden kann. Weiterhin weisen diese durch ihre kleine Bauform eine geringe Massenträgheit auf, so dass Schaltvorgänge mit hoher Schaltfrequenz ausgeführt werden können. Der erfindungsgemäße Rollenfreilauf weist daher eine hohe Anzahl von beispielsweise mehr als 16 bevorzugt mehr als 20 über den Umfang verteilten Klemmrollen pro Klemmrollensatz auf. Die Klemmrollen können als Rollenlager ausgebildet sein, deren mit dem Außenring in Kontakt tretender Mantel gegenüber dessen Innenteil mit den in die Öffnungen der Käfigscheiben eingreifenden Zapfen beispielsweise mittels Nadeln wälzgelagert ist.
Der erfindungsgemäße Rollenfreilauf eignet sich insbesondere für hochfrequente Anwendungen, die bei hohen Drehzahlen unter hoher Last arbeiten und gegebenenfalls hohe Schaltfrequenzen erfordern, beispielsweise aus der DE 102009037480 A1 bekannte stufenlos verstellbare Kurbelgetriebe (CCVT, Crank-CVT), Hybrid- oder Elektromotorantriebe mit schnellen Zuschaltungen von Rotoren oder dergleichen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 6 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Rollenfreilaufs,
2 eine Schrägansicht des Rollenfreilaufs der 1 bei abgenommenem Außenring,
3 einen Klemmrollenkranz des Rollenfreilaufs der 1 und 2 in Ansicht,
4 eine Explosionsdarstellung des Klemmrollenkranzes der 3,
5 einen Ausschnitt des Rollenfreilaufs der 1 im Übertragungsmodus und
6 einen Ausschnitt des Rollenfreilaufs der 1 im Leerlaufmodus.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Figur zeigt den Rollenfreilauf 1, wie er beispielsweise in einem kontinuierlich verstellbaren Kurbelgetriebe (Crank Continous Variable Transmission, CCVT) eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs eingesetzt wird, in Ansicht. Der Außenring 2 mit der Antriebsöse 3, mittels der der Außenring 2 um einen begrenzten Winkel durch eine Kurbel um die Drehachse 4 angetrieben wird, weist am Innenumfang die Innenumfangsfläche 5 auf. Radial innerhalb der Innenumfangsfläche ist der als Innenstern ausgebildete Innenring 6 mit dem Außenumfang 7 untergebracht. Der Außenumfang 7 weist über den Umfang verteilte Klemmrampen 8 auf und begrenzt mit der Innenumfangsfläche den Spaltraum 10, in dem jeweils auf einer Klemmrampe 8 die über den Umfang verteilten Klemmrollen 9 untergebracht sind. Die Klemmrollen 9 sind in dem Käfig 11 entlang den Klemmrampen 8, also radial und in Umfangsrichtung begrenzt verlagerbar und unter Vorspannung gegen diese aufgenommen. Hierzu dient die Drahtfeder 12, die hier lediglich zwischen den Öffnungen 13 des Käfigs 11 teilweise einsehbar ist.
2 verdeutlicht den Aufbau des Rollenfreilaufs 1 in Schrägansicht bei abgenommenem Außenring 2 (1), so dass der Einblick auf den Innenring 6 mit dem die Klemmrampen 8 enthaltenden Außenumfang 7, der hier für die Unterbringung mehrerer nebeneinander angeordneter Klemmrollenkränze 14 vorgesehen ist. Jeweils ein Klemmrollenkranz 14 enthält den aus den beiden Käfigscheiben 15 gebildeten Käfig, die Klemmrollen 9 sowie zwei jeweils zwischen den stirnseitigen Enden der Klemmrollen 9 und den Käfigscheiben 15 angeordnete Drahtfedern 12. Der Klemmrollenkranz 14 ist mittels eines zu den Klemmrampen 8 komplementären Innenprofils 16 der Käfigscheiben 15 drehfest mit dem Innenring 6 verbunden.
Aus den 3 und 4 ist der Klemmrollenkranz 14 der 2 in Ansicht beziehungsweise Explosionsdarstellung ersichtlich. Die beiden Käfigscheiben 15 sind mittels der Käfigstreben 17 miteinander verbunden und nehmen zwischen sich die Klemmrollen 9 auf. Hierzu sind beidseitig an den stirnseitigen Enden der Klemmrollen 9 axial erweiterte Zapfen 18 kleineren Durchmessers vorgesehen, die in die Öffnungen 13 der Käfigscheiben 15 axial eingreifen. Die Öffnungen 13 sind in Form von Langlöchern ausgebildet, deren Steigung im Wesentlichen den Klemmrampen 8 (1 und 2) entspricht, so dass die Klemmrollen 9 entlang den Klemmrampen verlagerbar sind und damit bei einer Relativverdrehung von Innenring 6 und Außenring 2 (1 und 2) den Leerlaufmodus und den Übertragungsmodus zwischen diesen steuern.
Die Verlagerung der Klemmrollen 9 erfolgt entgegen der Wirkung der Drahtfedern 12, die einseitig offen ausgebildet sind und Rampen 19 aufweisen, deren Steigung die Richtung der Klemmrampen aufweist, jedoch steiler als die Steigung dieser ausgebildet ist. Die Rampen 19 beaufschlagen jeweils einen Zapfen 18 der Klemmrollen 9 so, dass die Klemmrollen unter Vorspannung an die Klemmrampen 8 (1 und 2) angelegt sind. Die Öffnung der Drahtfedern 12 erlaubt eine weichere Auslegung dieser durch Ringerweiterung, für steifere Ausbildung können die Drahtfedern 12 auch geschlossen ausgeführt sein.
5 zeigt einen Ausschnitt des Rollenfreilaufs 1 der 1 und 2 im Übertragungsmodus, bei dem die Klemmrollen 9 zwischen der Innenumfangsfläche 5 des Außenrings 2 und den Klemmrampen 8 des Außenumfangs 7 des Innenrings 6 geklemmt sind, so dass der mit der Transversalkraft T_A drehende Außenring 2 den mit der Last T_I bremsenden Innenring 6 antreibt. Hierbei sind die Rampen 19 der Drahtfedern 12 jeweils vorgespannt. Demzufolge wirkt auf die Klemmrollen 9 beziehungsweise deren Zapfen 18 die Federkraft F_f, die in eine Tangentialkraft F_fT und die Normalkraft F_fN aufgeteilt ist. Nimmt die Transversalkraft T_A ab, treibt der Außenring 2 nicht mehr an sondern verdreht – wie in 6 gezeigt – mit einer zu der Drehgeschwindigkeit ω_I des Innenrings 6 entgegengesetzter Drehgeschwindigkeit ω_A. Dadurch wechselt der Rollenfeilauf 1 in den Leerlauf, wobei die Klemmrollen 9 durch die Wirkung der vorgespannten Rampen 19 und der sich in Umfangsrichtung verlagernden Klemmrampen 8 schlagartig nach radial innen und um den Weg x gegen die Drehrichtung des Innenrings 6 in die gezeigte Leerlaufposition verlagert, quasi geschossen werden, so dass sich zwischen der Innenumfangsfläche 5 und den Klemmrollen 9 das Radialspiel s einstellt. In der Leerlaufposition können sich die Klemmrollen 9 beruhigen, bevor sie infolge der wirksamen Tangentialkraft F_fT wieder entlang der Steigung der Öffnungen 13 wieder in Wälzkontakt mit der Innenumfangsfläche 5 treten. Hierdurch werden die verlustreichen Gleitreibungszustände der Klemmrollen 9 gegenüber der Innenumfangsfläche 5 vermieden beziehungsweise verringert, so dass der Wirkungsgrad des Rollenfreilaufs steigt und die Steuerfrequenz durch die in Leerlaufposition beruhigten Klemmrollen 9 gesteigert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Rollenfreilauf
2: Außenring
3: Antriebsöse
4: Drehachse
5: Innenumfangsfläche
6: Innenring
7: Außenumfang
8: Klemmrampe
9: Klemmrolle
10: Spaltraum
11: Käfig
12: Drahtfeder
13: Öffnung
14: Klemmrollenkranz
15: Käfigscheibe
16: Innenprofil
17: Käfigstreben
18: Zapfen
19: Rampe
F_f: Federkraft
F_fN: Normalkraft
F_fT: Tangentialkraft
s: Radialspiel
T_A: Transversalkraft
T_I: Last
x: Weg
ω_A: Winkelgeschwindigkeit
ω_I: Winkelgeschwindigkeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008058194 A1 [0002]
DE 102009037480 A1 [0009]

Claims

Rollenfreilauf (1) mit einem am Außenumfang (7) mit über den Umfang verteilten Klemmrampen (8) versehenen Innenring (6), einem radial außerhalb des Innenrings (6) angeordneten Außenring (2) mit einer zylindrischen Innenumfangsfläche (5) sowie über den Umfang verteilten, in einem durch Außenumfang (7) und Innenumfangsfläche (5) gebildeten Spaltraum (10) aufgenommenen Klemmrollen (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmrollen (9) in einem drehfest mit dem Innenring (6) verbundenen Käfig (11) entlang jeweils einer Klemmrampe (8) begrenzt verlagerbar aufgenommen sind und radial und in Umfangsrichtung elastisch gegenüber den Klemmrampen (8) vorgespannt sind.
Rollenfreilauf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Käfig (11) aus zwei miteinander axial fest verbundenen Käfigscheiben (15) mit über den Umfang verteilten Öffnungen (13) ausgebildet ist, in die axial erweiterte Zapfen (18) eines Innenteils der Klemmrollen (9) eingreifen.
Rollenfreilauf (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (13) als sich in Umfangsrichtung und in radiale Richtung im Wesentlichen dem Verlauf der Klemmrampen (8) folgende Langlöcher ausgebildet sind.
Rollenfreilauf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Klemmrollen (9) und zumindest einer Käfigscheibe (15) eine die Klemmrollen (9) mit einer Normalkraft und einer entgegen einer Drehrichtung des Innenrings (6) wirksamen Tangentialkraft beaufschlagende Drahtfeder (12) vorgesehen ist.
Rollenfreilauf (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtfeder (12) einteilig mit jeweils einer Rampe (19) zur Beaufschlagung einer Klemmrolle (9) ausgebildet ist.
Rollenfreilauf (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steigung der Rampen (19) größer als eine Steigung der Öffnungen (13) ist.
Rollenfreilauf (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drahtfeder (12) die Form eines geöffneten Rings aufweist.
Rollenfreilauf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Wechsel in einen Leerlaufmodus des Rollenfreilaufs (1) zumindest kurzzeitig ein Radialspiel (s) zwischen Außenring (2) und Klemmrollen (9) eingestellt ist.
Rollenfreilauf (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Radialspiel (s) mittels der elastischen Vorspannung eingestellt ist.
Rollenfreilauf (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sätze von Klemmrollenkränzen (14) axial nebeneinander angeordnet sind.