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Die Erfindung betrifft einen Freilauf, der mit Hilfe einer Betätigungseinrichtung umschaltbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Antriebsstrang, ein Getriebe, einen Motor oder einen Zugmitteltrieb mit einem derartigen Freilauf.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 101 48 961 A1 ist ein Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug mit einem Planetengetriebe und einem Bandfreilauf bekannt, der umschaltbar ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 33 769 A1 ist ein automatisiertes Schaltgetriebe mit einer verbesserten Schaltelastizität bekannt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Freilauf zu schaffen, der mit Hilfe einer Betätigungseinrichtung umschaltbar ist und der auch bei der Übertragung von relativ großen Drehmomenten eine lange Lebensdauer aufweist.
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Die Aufgabe ist bei einem Freilauf, der mit Hilfe einer Betätigungseinrichtung umschaltbar ist, dadurch gelöst, dass die Betätigungseinrichtung mit einer dem Freilauf vorgeschalteten Elastizität kombiniert ist, die bei hohen Belastungen Relativbewegungen zum Belastungsausgleich ermöglicht. Durch die vorgeschaltete Elastizität kann die Belastung von Komponenten des Freilaufs, insbesondere von Vorlastfedern und Klemmrollen, auch bei entgegen einer Klemmrichtung vorgewählter Betätigungseinrichtung, gering gehalten werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Freilaufs ist dadurch gekennzeichnet, dass die dem Freilauf vorgeschaltete Elastizität ein Vorspannmoment aufweist, das bei einem Umschalten in einer Freilaufrichtung eine Relativbewegung zwischen einem Mitnahmekäfig und einem Umschaltkäfig ermöglicht. Durch die Relativbewegung zwischen dem Mitnahmekäfig und dem Umschaltkäfig wird auf einfache Art und Weise ein Belastungsausgleich ermöglicht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Freilaufs ist dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannmoment so ausgelegt ist, dass bei einem Umschalten entgegen der Freilaufrichtung keine Relativbewegung zwischen dem Mitnahmekäfig und dem Umschaltkäfig auftritt. Die der Freilaufrichtung entgegengesetzte Richtung wird auch als Sperr- oder Klemmrichtung bezeichnet. Ohne Relativbewegung zwischen dem Mitnahmekäfig und dem Umschaltkäfig wird ein schnelles Umschalten von einer Freilauffunktion auf eine Drehmomentübertragungsfunktion ermöglicht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Freilaufs ist dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltkäfig und der Mitnahmekäfig beim Umschalten in Freilaufrichtung entgegen der Vorspannkraft mindestens einer Federeinrichtung relativ zueinander verdrehbar sind. Durch eine relativ geringe Federsteifigkeit der Federeinrichtung wird auf einfache Art und Weise sichergestellt, dass eine große Belastung von dem Mitnahmekäfig auf den Umschaltkäfig sowie dem Umschaltkäfig nachgeschaltete Komponenten des Freilaufs, wie Vorlastfedern oder Klemmrollen, übertragen wird.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Freilaufs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung mehrere vorgespannte Druckfedern umfasst, die in einer Umfangsrichtung zwischen dem Umschaltkäfig und dem Mitnahmekäfig eingespannt sind. Dabei können die Druckfedern als gerade Schraubendruckfedern ausgeführt sein, die in einen Federkanal eingepresst sind. Die Druckfedern können aber auch als vorgebogene Schraubendruckfedern ausgeführt sein, die als Bogenfedern bezeichnet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Freilaufs ist dadurch gekennzeichnet, dass der Umschaltkäfig Nasen aufweist, die in den Mitnahmekäfig eingreifen. Die Nasen des Umschaltkäfigs greifen vorzugsweise in Bereiche des Mitnahmekäfigs ein, gegen welche die Druckfedern vorgespannt sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Freilaufs ist dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung eine vorgespannte Biegefeder umfasst, die in entgegengesetzten Umfangrichtungen zwischen dem Umschaltkäfig und dem Mitnahmekäfig eingespannt ist. Die Biegefeder erfüllt die gleiche Funktion wie die vorab beschriebenen Druckfedern. Zu diesem Zweck greift die Biegefeder, zum Beispiel mit axial abgewinkelten Enden, in Öffnungen, die an dem Umschaltkäfig und dem Mitnahmekäfig vorgesehen sind.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Freilaufs ist dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf als Klemmrollenfreilauf mit Klemmrollen ausgeführt ist, die zwischen einem Freilaufinnenring und einem Freilaufaußenring einklemmbar sind. Die Klemmrampen sind vorzugsweise in beiden Drehrichtungen an dem Freilaufinnenring vorgesehen. Die Klemmrollen sind vorzugsweise jeweils zwischen zwei Vorlastfedern angeordnet. Je nach Summenkraftrichtung der Vorlastfedern können die Klemmrollen in der einen oder anderen Relativdrehrichtung auf den Klemmrampen klemmen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Freilaufs ist dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnahmekäfig eine erste Innenverzahnung aufweist, die zum Umschalten des Freilaufs mit einer zweiten Innenverzahnung gekoppelt ist, die an dem Freilaufinnenring ausgebildet ist. Eine der Innenverzahnungen ist vorzugsweise als Geradverzahnung ausgeführt. Die andere der Innenverzahnungen ist vorzugsweise als Schrägverzahnung ausgeführt. Die beiden Innenverzahnungen sind vorzugsweise über eine Schiebemuffe, die eine Außenverzahnung aufweist, miteinander gekoppelt. Eine axiale Verschiebung der Schiebemuffe führt zu einem Verdrehen des Mitnahmekäfigs, wodurch ein Umschalten des Freilaufs bewirkt wird.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Antriebsstrang, ein Getriebe, einen Motor oder einen Zugmitteltrieb mit einem vorab beschriebenen Freilauf. Der Zugmitteltrieb ist zum Beispiel als Riementrieb oder Kettentrieb ausgeführt. Der erfindungsgemäße Freilauf kann besonders vorteilhaft zur Darstellung eines schaltbaren Planetengetriebes verwendet werden. Das schaltbare Planetengetriebe ist vorzugsweise in einen Zugmitteltrieb, insbesondere einen Riementrieb oder Kettentrieb, eines Verbrennungsmotors integriert.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
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1 einen erfindungsgemäßen Freilauf im Schnitt durch eine Klemmrollenebene;
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2 den Freilauf aus 1 im Längsschnitt;
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3 den Freilauf aus den 1 und 2 in der Draufsicht;
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4 den Freilauf aus den 1 bis 3 im Schnitt durch eine Ebene, in welche vorgespannte Druckfedern angeordnet sind;
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5 einen ähnlichen Freilauf wie in den 1 bis 4 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel im Längsschnitt;
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6 den Freilauf aus 5 in der Draufsicht und
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7 den Freilauf aus den 5 und 6 im Schnitt durch eine vorgespannte Biegefeder.
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In den 1 bis 7 ist eine technische Vorrichtung 1; 41 mit einem integrierten Freilauf 4; 44 gemäß zwei verschiedenen Ausführungsbeispielen in verschiedenen Ansichten und Schnitten dargestellt. Bei der technischen Vorrichtung 1; 41 handelt es sich zum Beispiel um eine Zugmittelscheibe, insbesondere eine Riemenscheibe beziehungsweise um Teile einer Riemenscheibe. Der Freilauf 4; 44 ist vorteilhaft in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugmotoren oder Kraftfahrzeuggetrieben, einsetzbar.
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Der Freilauf 4; 44 umfasst einen Freilaufinnenring 5 und einen Freilaufaußenring 8. Der Freilaufinnenring 5 ist im eingebauten Zustand der technischen Vorrichtung 1; 41 drehfest mit einem Antriebselement, wie einer Kurbelwelle, verbunden.
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Der Freilaufaußenring 8 kann im eingebauten Zustand der technischen Vorrichtung 1; 41 von einem Zugmittel, wie einem Riemen beziehungsweise Zahnriemen, umschlungen sein. Radial außen ist der Freilaufaußenring 8 mit einer Außenverzahnung 9 ausgestattet. Die Außenverzahnung 9 dient zur Darstellung einer formschlüssigen Verbindung mit einem (nicht dargestellten) Zahnriemen. Die Außenverzahnung 9 kann aber auch zur Darstellung eines Sonnenrades eines Planetengetriebes dienen.
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In radialer Richtung zwischen dem Freilaufinnenring 5 und dem Freilaufaußenring 8 sind insgesamt acht Klemmrollen 10 angeordnet. Die Klemmrollen 10 sind jeweils zwischen zwei Vorlastfedern 11, 12 angeordnet beziehungsweise eingespannt. Der Freilaufaußenring 8 weist radial innen einen kreisrunden Innendurchmesser auf. Der Freilaufinnenring 5 weist radial außen in beide Drehrichtungen wirksame Klemmrampen auf. Je nach Summenkraftrichtung der Vorlastfedern 11, 12 klemmen die Klemmrollen 10 in der einen oder anderen Richtung auf den Klemmrampen zwischen dem Freilaufinnenring 5 und dem Freilaufaußenring 8.
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Im Betrieb von herkömmlichen Freiläufen kann es Zustände geben, bei denen der Freilauf in der einen Richtung noch klemmt, jedoch in der anderen Verstellrichtung schon vorgewählt wird. Beim Vorwählen wird ein herkömmlicher Verstellkäfig verdreht, wobei die eigentliche Umschaltung erst bei Umdrehung der Momentrichtung erfolgt. Beim Klemmen werden die Rollen um einen Klemmwinkel verdreht.
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Beim Verstellen wird der Verstellkäfig um einen Verstellwinkel verdreht. Der Verstellwinkel und der Klemmwinkel sind toleranzbehaftet. Bei großen Winkeln können die Vorlastfedern auf Block gehen, so dass ein Steg oder andere Bereiche des Verstellkäfigs einer zu hohen Belastung ausgesetzt werden und brechen. Um dies zu verhindern, muss der Verstellwinkel relativ groß ausgelegt werden, was die mögliche Anzahl der Klemmrollen am Umfang begrenzt. Die Anzahl der Klemmrollen am Umfang wiederum begrenzt das übertragbare Freilaufmoment.
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Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird ein umschaltbarer Freilauf 4; 44 bereitgestellt, der bei einem möglichst großen übertragbaren Moment und damit möglichst großer Anzahl von Klemmrollen die Belastung der Vorlastfedern und eines Verstellkäfigs auch bei in entgegen der Klemmrichtung vorgewähltem Verstellmechanismus gering hält. Zu diesem Zweck wird ein umschaltbarer Freilauf 4; 44 mit einer dem Freilauf vorgeschalteten Elastizität geschaffen.
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Der erfindungsgemäße Freilauf 4; 44 umfasst einen Umschaltkäfig 15; 55. Der Umschaltkäfig 15; 55 kann auch als Verstellkäfig bezeichnet werden. Dem Umschaltkäfig 15; 55 ist eine Elastizität vorgeschaltet, die bei hohen Belastungen Relativbewegungen zwischen dem Umschaltkäfig 15; 55 und einem Mitnahmekäfig 20; 60 ermöglicht. Durch die Relativbewegungen zwischen den beiden Käfigen 15; 55 und 20; 60 kann auf einfache Art und Weise ein Belastungsausgleich ermöglicht werden.
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In den Längsschnitten der 2 und 5 sieht man, dass zwischen dem Freilaufinnenring 5 und dem Freilaufaußenring 8 Wälzkörper 17, 18 angeordnet sind. Die Wälzkörper 17, 18 sind als Kugeln ausgeführt und stellen ein zweireihiges Schrägkugellager zur Lagerung und Führung des Freilaufaußenrings 8 auf dem Freilaufinnenring 5 dar.
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Die Vorlastfedern 11, 12 zwischen den Klemmrollen 10 können durch den Umschaltkäfig 15; 55 von beiden Seiten beaufschlagt werden. Je nach Drehrichtung des Umschaltkäfig 15; 55 kann der Freilauf 4; 44 in die eine oder andere Richtung geschaltet werden.
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Zum Umschalten des Freilaufs 4; 44 ist eine erste Innenverzahnung 21; 61 an dem Mitnahmekäfig 20; 60 ausgebildet. Eine zweite Innenverzahnung 22; 62 ist an dem Freilaufinnenring 5 ausgebildet. Die erste Innenverzahnung 21; 61 ist als Geradverzahnung ausgeführt. Die zweite Innenverzahlung 22; 62 ist als Schrägverzahnung ausgeführt.
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Alternativ können auch die erste Innenverzahnung 21; 61 als Schrägverzahnung und die zweite Innenverzahnung 22; 62 als Geradverzahnung ausgeführt werden. Zum Umschalten dient eine (nicht dargestellte) Schiebemuffe, die in beide Innenverzahnungen 21; 22 und 61; 62 eingreift. Eine axiale Verschiebung der Schiebemuffe führt zu einer Drehbewegung des Mitnahmekäfigs 20; 60 relativ zu dem Freilaufinnenring 5.
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In den 2 bis 4 sieht man, dass an dem Umschaltkäfig 15 Nasen 25 ausgebildet sind, die in Federkopplungsbereiche oder Federbeaufschlagungsbereiche 26 eingreifen, die an dem Mitnahmekäfig 20 ausgebildet sind. Zwischen den Nasen 25 des Umschaltkäfig 15 und den Federkopplungsbereichen beziehungsweise Federaufschlagungsbereichen 26 des Mitnahmekäfig 20 sind in Umfangsrichtung wirkende Druckfedern 27, 28 vorgespannt.
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Die Druckfedern 27, 28 sind als vorgebogene Schraubendruckfedern ausgeführt und werden daher auch als Bogenfedern bezeichnet. Die Druckfedern 27, 28 können aber auch gerade ausgebildet und in einen Federkanal eingepresst werden, der zwischen dem Umschaltkäfig 15 und dem Mitnahmekäfig 20 ausgebildet ist.
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Die Druckfedern 27, 28 sind in Umfangsrichtung so vorgespannt, dass ein Vorspannmoment erzeugt wird. Das Vorspannmoment der Druckfedern 27, 28 ist so ausgelegt, dass bei einem Umschalten des Freilaufs 4 in Klemmrichtung keine Relativbewegung zwischen dem Mitnahmekäfig 20 und dem Umschaltkäfig 15 stattfindet.
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Bei einem Umschalten entgegen der Klemmrichtung geht der Umschaltkäfig 15 auf Anschlag an den Klemmrollen 10. Eine weitere Winkeldrehung bei einer großen äußeren Betätigungskraft führt zu einer weiteren Einfederung der vorgespannten Druckfedern 27, 28. Dabei weisen die Druckfedern 27, 28 eine relativ geringe Federsteifigkeit auf, die ein zu großes Ansteigen der Belastung auf den Umschaltkäfig 15, die Vorlastfedern 11, 12 und die Klemmrollen 10 verhindert.
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Dabei stellen die Druckfedern 27, 28 eine Federeinrichtung 29 dar, durch welche wiederum die vorab beschriebene Elastizität 30 bereitgestellt wird, die dem Freilauf 4 vorgeschaltet ist. Durch die Elastizität 30 kann der Verstellwinkel auf den Winkel bis Klemmrollenanschlag und den Winkel des Einfederns der vorgespannten Druckfeder 27, 28 aufgeteilt werden. Somit wird eine größere Anzahl von Klemmrollen möglich, da nur ein Teil des Verstellwegs zwischen den Klemmrollen 10 stattfinden muss, während der andere Teil zwischen dem Umschaltkäfig 15 und dem Mitnahmekäfig 20 stattfindet.
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Die in den 5 bis 7 dargestellte technische Vorrichtung 41 umfasst einen ähnlichen Freilauf 44 wie der in den 1 bis 4 dargestellte Freilauf 4. Zur Bezeichnung gleicher Teile werden die gleichen Bezugszeichen verwendet. Im Folgenden wird auf die Unterschiede zwischen den Freiläufen 4; 44 eingegangen.
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Bei dem in den 5 bis 7 dargestellten Freilauf 44 ist eine Biegefeder 66 zwischen dem Umschaltkäfig 55 und dem Mitnahmekäfig 60 vorgespannt. Die Biegefeder 66 stellt eine Federeinrichtung 69 beziehungsweise eine Elastizität 70 dar, die genauso funktioniert wie die Federeinrichtung 29 beziehungsweise die Elastizität 30 bei dem Freilauf 4.
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Die Biegefeder 66 greift mit axial abgewinkelten Enden in Öffnungen 71, 72 ein, die an dem Umschaltkäfig 55 und dem Mitnahmekäfig 60 vorgesehen sind. Dabei erstreckt sich die vorgespannte Biegefeder 66 in Umfangsrichtung zwischen den Öffnungen 71 beziehungsweise 72.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zumittelscheibe
- 4
- Freilauf
- 5
- Freilaufinnenring
- 8
- Freilaufaußenring
- 9
- Außenverzahnung
- 10
- Klemmrolle
- 11
- Vorlastfeder
- 12
- Vorlastfeder
- 15
- Umschaltkäfig
- 17
- Wälzkörper
- 18
- Wälzkörper
- 20
- Mitnahmekäfig
- 21
- erste Innenverzahnung
- 22
- zweite Innenverzahnung
- 25
- Nase
- 26
- Federbeaufschlagungsbereich
- 27
- Druckfeder
- 28
- Druckfeder
- 29
- Federeinrichtung
- 30
- Elastizität
- 41
- Zugmittelscheibe
- 44
- Freilauf
- 55
- Umschaltkäfig
- 60
- Mitnahmekäfig
- 61
- erste Innenverzahnung
- 62
- zweite Innenverzahnung
- 66
- Biegefeder
- 69
- Federeinrichtung
- 70
- Elastizität
- 71
- Öffnungen
- 72
- Öffnungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10148961 A1 [0002]
- DE 10233769 A1 [0002]
