DE102018119803A1

DE102018119803A1 - Käfig für Freilaufkupplung mit integrierter Rückholfeder

Info

Publication number: DE102018119803A1
Application number: DE102018119803.5A
Authority: DE
Inventors: Jeremiah Bauman
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-08-17
Filing date: 2018-08-15
Publication date: 2019-02-21
Also published as: US20190055998A1; US10502272B2

Abstract

Es wird eine Freilaufkupplung mit einer integrierten Feder offenbart. Die Baugruppe enthält einen Innenring und einen Außenring, von denen einer einen Rampenabschnitt hat. Ein Käfig definiert eine Vielzahl von Wälzkörperaufnahmen und enthält eine erste und eine zweite Seitenwand, die jeweils eine integrierte Zunge haben. Wälzkörper sind durch die integrierten Zungen gegen den Innenring und den Außenring vorgespannt. Der Kraftwinkel der integrierten Zungen wird für eine vorgegebene Anwendung eingestellt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Freilaufkupplungsbaugruppe und insbesondere eine Rückholfeder, die in einen Käfig integriert ist, der Wälzkörper für eine Freilaufkupplungsbaugruppe haltert.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Freilaufkupplungsbaugruppen werden für eine breite Vielfalt von Anwendungen eingesetzt. Bei einem Freilaufkupplungstyp handelt es sich um eine Freilaufkupplungsbaugruppe mit Wälzkörpern, in die entsprechende Rampenabschnitte eines Innengehäuses und eines Außengehäuses eingreifen. Durch diese Konfiguration wird es einer ersten Komponente ermöglicht, sich in einer ersten Drehrichtung in Bezug auf eine zweite Komponente der Baugruppe zu drehen. In einer entgegengesetzten zweiten Drehrichtung sperren die Wälzkörper, und die erste Komponente überträgt ein Drehmoment zur zweiten Komponente.
Um die Wälzkörper beim Betrieb in ihrer Position und auf die entsprechenden Rampenabschnitte ausgerichtet zu halten, ist üblicherweise ein Käfig oder ein anderes Halterungsbauteil erforderlich. Außerdem ist eine Feder, z.B. eine Akkordeonfeder, in einen Käfig eingebaut, um Wälzkörper in eine ideale Betriebsposition zu drücken, in der sie sowohl in den Innenring als auch in den Außenring eingreifen, um beim Betrieb kein Spiel zuzulassen. Zum Beispiel werden in den US-Patentschriften 4 953 353 und 9 145 927 verschiedene Konfigurationen zum Haltern von Wälzkörpern in Kupplungsbaugruppen offenbart. Bei diesen Lösungen werden zusätzlicher Platz und/oder zusätzliche Bauteile benötigt, z.B. eine Feder, eine Federbefestigungsstruktur und Platz zum Entspannen der Feder. Dadurch wiederum werden die Anzahl der Wälzkörper, die um die Baugruppe herum angeordnet werden können, und somit die Drehmomentkapazität der Freilaufkupplungsbaugruppe begrenzt. Und letztlich kommt es bei diesen Lösungen durch Zentrifugalkräfte zum Abheben der Wälzkörper, d.h. zum Mitschleifen.
Es wäre wünschenswert, eine einfache und preiswerte Methode zum Andrücken von Wälzkörpern innerhalb eines Käfigs einer Freilaufkupplungsbaugruppe bereitzustellen.
KURZDARSTELLUNG
Es wird eine Freilaufkupplungsbaugruppe bereitgestellt. Die Baugruppe enthält einen Innenring, einen Außenring, eine Rampe und einen Käfig. Die Rampe ist entweder im Innenring oder im Außenring gebildet und ist dem jeweils anderen Ring, dem Außenring oder dem Innenring, zugewandt. Der Käfig definiert mindestens eine Wälzkörperaufnahme und enthält eine im Wesentlichen erste ebene Seitenwand, eine erste Zunge, die sich innerhalb oder parallel zu einer Ebene der ersten Seitenwand erstreckt, und in den Aufnahmen angeordnete Wälzkörper. Die Wälzkörper sind durch die Zunge entweder gegen den Innenring oder den Außenring vorgespannt.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein ringförmiger Käfig für eine Freilaufkupplung bereitgestellt. Der Käfig enthält eine Vielzahl Aufnahmen, die jeweils zum Aufnehmen eines Wälzkörpers eingerichtet sind. Jede aus der Vielzahl von Aufnahmen enthält eine erste elastische Zunge, die als integraler Bestandteil des Käfigs gebildet ist und sich im Allgemeinen entlang eines Abschnitts des Käfigs in Umfangsrichtung erstreckt. Die Zunge ist so beschaffen, dass sie einen Wälzkörper in einer radialen Richtung des Käfigs in eine entsprechende Aufnahme drückt.
Figurenliste
Die vorhergehende Kurzdarstellung und die folgende detaillierte Beschreibung werden in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen verständlicher, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen. In den Zeichnungen ist:

1 eine perspektivische Ansicht einer Freilaufkupplungsbaugruppe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in Explosionsdarstellung;
2A eine perspektivische Ansicht der Freilaufkupplungsbaugruppe von 1;
2B eine Seitenansicht der Freilaufkupplungsbaugruppe von 1;
3A eine perspektivische Ansicht eines Käfigs der Freilaufkupplungsbaugruppe von 1;
3B eine Seitenansicht des Käfigs von 3A;
4A eine seitliche Querschnittsansicht des Käfigs von 3B entlang der Schnittlinie 4-4;
4B eine Teilansicht des Käfigs von 4A;
5 eine Teilansicht des Käfigs von 3A;
6 eine Teilquerschnittsansicht der Freilaufkupplungsbaugruppe von 2B entlang der Schnittlinie 6-6;
7A ein Kräftediagramm eines Wälzkörpers der Freilaufkupplungsbaugruppe von 1;
7B ein Kräftediagramm der in 7A einwirkenden Kräfte; und
8 ein Schaubild der Winkel für eine Zunge des Käfigs von 3A.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Von vornherein sollte einsichtig sein, dass gleiche Zeichnungsnummern in verschiedenen Zeichnungsansichten identische oder funktionell ähnliche Strukturelemente bezeichnen. Außerdem ist klar, dass die Erfindung nicht nur auf die einzelnen hierin beschriebenen Ausführungsformen, Verfahrensweisen, Materialien und Modifikationen beschränkt ist und insofern natürlich variieren kann. Ferner ist klar, dass die hierin verwendeten Begriffe nur zum Beschreiben einzelner Aspekte dienen und nicht den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränken sollen, der nur durch die beiliegenden Ansprüche eingeschränkt wird.
Sofern nicht anderweitig definiert, haben alle hierin verwendeten technischen und wissenschaftlichen Begriffe dieselbe Bedeutung, wie sie dem Fachmann geläufig sind, an den sich diese Erfindung richtet. Zwar können zum Umsetzen oder Testen der Erfindung beliebige Verfahren, Einheiten oder Materialien verwendet werden, jedoch werden nunmehr die folgenden beispielhaften Verfahren, Einheiten und Materialien beschrieben. Bestimmte Begriffe werden in der folgenden Beschreibung nur der Zweckmäßigkeit halber und nicht zur Einschränkung verwendet. Die Wörter „innen“ und „außen“ betreffen Richtungen auf die Teile zu, auf die in den Zeichnungen Bezug genommen wird, und von diesen weg. Unter „axial“ ist eine Richtung entlang der Achse oder einer Welle oder eines rotierenden Teils zu verstehen. Bei einer Bezugnahme auf eine Aufzählung von Objekten mit der Zuordnung „a, b und/oder c“ (wobei a, b und c die aufgeführten Objekte darstellen) sind jedes einzelne der Objekte a, b oder c oder deren Kombinationen gemeint. Zu den Begriffen gehören die oben im Einzelnen angeführten Wörter, deren Ableitungen und Wörter ähnlicher Bedeutung.
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Freilaufkupplungsbaugruppe für eine Vielfalt von Anwendungen, insbesondere eine integrierte Federbaugruppe für vorgespannte Wälzkörper. Der Käfig definiert Wälzkörperaufnahmen und hat zwei Seitenwände. Jede Seitenwand hat eine integrierte Zunge, die als Feder wirkt, sodass der Platzbedarf deutlich verringert und die Herstellung vereinfacht wird. Für vorgegebene Abmessungen kann ein Winkel eingestellt werden, der die Zunge in Bezug auf den Wälzkörper ausrichtet.
Die 1 bis 2B zeigen eine Ausführungsform einer Freilaufkupplungsbaugruppe 10, die ein Gehäuse 12, einen Innenring 14, einen Außenring 20, einen Käfig 30 und eine Achse X enthält, die in der Mitte all dieser Bauteile definiert ist. Innerhalb des Käfigs 30 ist eine Vielzahl von Wälzkörpern 16 angeordnet.
Der Außenring 20 enthält eine Öffnung 22 und einen ersten Rampenabschnitt 24. In 1 ist gezeigt, dass der erste Rampenabschnitt 24 des Gehäuses 20 vorzugsweise eine Vielzahl Rampen 26 enthält.
Der erste Rampenabschnitt 24 des Außenrings 20 ist so gestaltet, dass sich der Innenring 14, der üblicherweise auf einer Welle montiert oder selbst eine Welle ist, unter Betriebsbedingungen in einer ersten relativen Drehrichtung R1 (gemäß 2B) frei in Bezug auf das Gehäuse 20 drehen kann. In einer entgegengesetzten zweiten relativen Drehrichtung R2 (gemäß 2B) sperren die Wälzkörper 16, indem sie sich entlang der Rampen 26 radial nach innen verschieben und dadurch ermöglichen, dass zwischen dem Innenring 14 und dem Gehäuse 20 ein Drehmoment übertragen wird.
Die 3A bis 5 zeigen, dass der Käfig 30 eine erste Seitenwand 34 und eine zweite Seitenwand 36 enthält, die jeweils einen Innenrand 38 beziehungsweise 40 definieren. Zwischen der ersten Seitenwand 34 und der zweiten Seitenwand 36 erstreckt sich eine Vielzahl Streben 42. In mindestens einer der Seitenwände 34, 36 ist als einheitlicher Bestandteil eine Vielzahl Zungen 32 gebildet, und vorzugsweise sind die Zungen als integraler Bestandteil beider Seitenwände 34, 36 gebildet. Desgleichen sind die Streben 42 an den Seitenwänden befestigt und bilden so ein einheitliches Bauteil, und vorzugsweise sind die Streben als integraler Bestandteil der Seitenwände 34, 36 gebildet.
Zwischen den aufeinanderfolgenden Streben 42 und zwischen den Seitenwänden 34, 36 ist eine Vielzahl 44 von Aufnahmen 44 definiert. Demgemäß enthält jede Aufnahme 44 zwei der Zungen 32. Jede Aufnahme 44 dient zum Haltern eines einzelnen Wälzkörpers 16, der an beiden Zungen 32 anliegt.
Die erste und die zweite Seitenwand 34, 36 des Käfigs 30 sind eben und parallel dargestellt. Die Zungen sind im Wesentlichen koplanar mit den Seitenwänden 34, 36 dargestellt, und 4B zeigt, dass die Zungen teilweise von den Seitenwänden nach innen ragen. Es ist jedoch denkbar, dass die Seitenwände 34, 36 lediglich im Wesentlichen eben und im Wesentlichen parallel sind. Zum Beispiel können die Seitenwände 34, 36 jeweils eine den Aufnahmen 44 zugewandte leicht konkave Form haben. Abgesehen von solchen geringfügigen Abweichungen sind die Zungen 32 im Wesentlichen mit den Seitenwänden 34, 36 bündig, um möglichst viel Platz einzusparen.
Die Zungen 32 sind elastisch und dienen als Blattfedern, die an den Wälzkörpern 16 der Freilaufkupplungsbaugruppe 10 anliegen. Bei der veranschaulichten Ausführungsform mit den einheitlich mit den Seitenwänden 34, 36 des Käfigs 30 gebildeten Zungen sind die Zungen 32 elastisch, da sie aus gestanztem Metall gefertigt sind. Die 4B und 5 zeigen, dass ein zugewandter Abschnitt 46 der Zunge 32 eine Krümmung 48 aufweist, die sich nach innen zur Aufnahme 44 hin und somit schräg in Bezug auf die entsprechende Seitenwand 34, 36 erstreckt. Demgemäß ist ein abgewandter Abschnitt 50 der Zunge 32 in Bezug auf die Seitenwände 334, 36 geringfügig axial nach innen angeordnet.
Die 3A, 4B, 5 und 5 zeigen, dass jede Zunge 32 eine innerhalb des abgewandten Abschnitts 50 gebildete Vertiefung 52 enthält. Die Vertiefung 52 ist zur Aufnahme 44 hin konkav. Mit anderen Worten, die Vertiefung 52 einer Seitenwand 34 ist der gegenüberliegenden Seitenwand 36 zugewandt und umgekehrt. Die Vertiefung 52 ist so dimensioniert und angeordnet, dass sie eine Erhebung 18 (6) des Wälzkörpers 16 aufnimmt. Demgemäß ist die Vertiefung 52 vorzugsweise kreisförmig, obwohl auch andere Formen denkbar sind, darunter ein Quadrat. Im Einbauzustand enthält jede Aufnahme 44 zwei Vertiefungen 52, die jeweils eine Erhebung 18 an einem entsprechenden axialen Ende 19 des Wälzkörpers 16 aufnehmen.
3B zeigt deutlich, dass sich die Zungen 32 generell in Umfangsrichtung entlang der Seitenwände 34, 36 erstrecken, jedoch ist aus 3B zu ersehen, dass die Zungen unter einem spitzen Winkel in Bezug auf eine Tangente T angeordnet sind. Es ist zu beachten, dass die Zungen 32 vorzugsweise der Länge nach gerade sind, sich jedoch insofern in „Umfangsrichtung“ erstrecken, als sie sich entlang eines Umkreises der entsprechenden Seitenwand 34 oder 36 oder nahezu tangential zum entsprechenden Innenrand 38 oder 40 erstrecken. Mit anderen Worten, jede Zunge 32 steht nicht senkrecht zu einer durch die Zunge verlaufenden radialen Linie, wobei die radiale Linie durch einen Durchmesser D definiert ist. Stattdessen definiert jede Zunge 32 eine zur Längsachse der Zunge senkrechte Linie S derart, dass zwischen den Linien S und D ein Winkel Θ definiert ist.
Im Einbauzustand gemäß den 1 bis 2B behindern die Zungen 32 keine Abschnitte eines Umfangs des Käfigs 30 der Wälzkörper 16. Stattdessen sind die Zungen 32 axial außerhalb der Wälzkörper 16 angeordnet, und die Zungen erstrecken sich zusammen mit den Wälzkörpern über einen Umfang des Käfigs 30 hinweg. Demgemäß kann die Anzahl der Wälzkörper 16 für einen bestimmten Umfang des Käfigs 30 allein ausgehend von der Größe der Wälzkörper und eines Abstands zwischen benachbarten Wälzkörpern größtmöglich gewählt werden, um geringfügige Bewegungen innerhalb der Aufnahmen 44 des Käfigs 30 zuzulassen.
Im Betrieb und wie in den 7A bis 7B gezeigt stellt der Winkel Θ auch einen Winkel der Zunge 32 dar, unter dem die Kraft auf die Wälzkörper 16 einwirkt. Mit anderen Worten, die Zunge 32 erstreckt sich unter dem Winkel Θ in Bezug auf eine Normale einer Tangente des Innenrings 14 an einem Kontaktpunkt zwischen dem Innenring 14 und dem Wälzkörper 16. Wenn der Wälzkörper 16 in den Innenring 14 eingreift, entstehen eine Normalkraft F_N und eine Reibungskraft F_µ . Definitionsgemäß wirkt die Kraft F_N kollinear mit den Durchmessern des Innenrings 15 und des Wälzkörpers 16 und die Kraft F_µ senkrecht zur Kraft F_N . Demgemäß greift die Zunge 32 unter dem Winkel Θ in Bezug auf die Kraft F_N in den Wälzkörper 16 ein.
Beim Konstruieren der Freilaufkupplungsbaugruppe 10 für eine bestimmte Anwendung können vor der Wahl der Geometrie der Baugruppe bestimmte Parameter festgelegt werden, insbesondere bezüglich der Wahl des Materials für den Innenring und den Außenring 14, 20 und die Wälzkörper 60. Aus diesen Informationen kann auf den Reibungskoeffizienten der Wälzkörper 16 und der Ringe 14, 20 geschlossen werden. Außerdem kann der Winkel Θ so eingestellt werden, dass bei bestimmten Drehzahlen oder in einem Drehzahlbereich auf die Wälzkörper 16 einwirkenden Zentrifugalkräften entgegengewirkt wird. Bei einigen Anwendungen kann die Freilaufkupplungsbaugruppe bei Drehzahlen von 1.000 bis 2.000 min^-1 eingesetzt werden.
Der Winkel Θ der Federkraft kann als Funktion des Reibungskoeffizienten zwischen dem Wälzkörper 16 und dem Innenring 14 gewählt werden. Für einen bestimmten Reibungskoeffizienten µ kann der Winkel Θ anhand der folgenden Gleichung berechnet werden: $Θ = {tan}^{- 1} (μ)$
8 veranschaulicht die Ergebnisse der obigen Gleichung für einen erwarteten Bereich des Reibungskoeffizienten µ. Insgesamt kann der Winkel Θ in einem Bereich von 0 Grad bis ungefähr 23 Grad variieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Reibungskoeffizient bei Verwendung von Stahl ungefähr 0,05 bis 0,15, stärker bevorzugt 0,08 bis 0,12. Demgemäß beträgt der Winkel Θ ungefähr 4 Grad bis ungefähr 9 Grad, stärker bevorzugt ungefähr 5 Grad bis ungefähr 6 Grad.
Somit ist es dem Fachmann anhand der detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung einsichtig und offensichtlich, dass zahlreiche technische Änderungen vorgenommen werden können, von denen in der detaillierten Beschreibung der Erfindung nur einige wenige dargestellt wurden, ohne die darin umgesetzten erfindungsgemäßen Konzepte und Grundgedanken zu verändern. Dem Fachmann wird aus der vorliegenden Offenbarung klar, dass eine beliebige Anzahl von Wälzkörpern 16 verwendet werden kann. Es sollte auch einsichtig sein, dass zahlreiche Ausführungsformen möglich sind, bei denen nur ein Teil der bevorzugten Ausführungsform einbezogen ist, die jedoch die darin umgesetzten erfindungsgemäßen Konzepte und Grundgedanken in Bezug auf diese Teile nicht verändern. Daher sind die vorliegende Ausführungsform und mögliche Konfigurationen in jeder Beziehung als beispielhaft und/oder veranschaulichend und nicht als Einschränkung anzusehen, wobei der Schutzumfang der Erfindung nicht durch die vorhergehende Beschreibung, sondern durch die beiliegenden Ansprüche festgelegt ist, wobei alle im Rahmen der Ansprüche bedeutungsgleichen und äquivalenten alternativen Ausführungsformen und Änderungen an dieser Ausführungsform hierdurch erfasst sein sollen.
Bezugszeichenliste

10.: Freilaufkupplungsbaugruppe
12.: Gehäuse
14.: Innenring
16.: Wälzkörper
18.: Drehachse
20.: Außenring
22.: Öffnung
24.: Erster Rampenabschnitt
26.: Rampen
30.: Käfig
32.: Zungen
34.: Erste Seitenwand
36.: Zweite Seitenwand
38.: Erster Innenrand
40.: Zweiter Innenrand
42.: Streben
44.: Aufnahmen
46.: Zugewandter Abschnitt
48.: Krümmung
50.: Abgewandter Abschnitt
52.: Vertiefung
54.: Verlängerter Kolben
56.: Drehpunkt
Θ: Winkel der Zunge in Bezug auf eine Tangente an einem Kontaktpunkt des Wälzkörpers am Innenring

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

US 4953353 [0003]
US 9145927 [0003]

Claims

Freilaufkupplungsbaugruppe, die umfasst: einen Innenring; einen Außenring; eine im Innenring oder im Außenring gebildete Rampe, die dem jeweils anderen Ring, dem Außenring oder dem Innenring, zugewandt ist; und einen Käfig, der mindestens eine Aufnahme für einen Wälzkörper definiert und enthält: eine erste im Wesentlichen ebene Seitenwand, eine erste Zunge, die sich innerhalb oder parallel zu einer Ebene der ersten Seitenwand erstreckt, und in den Aufnahmen angeordnete Wälzkörper, wobei die Wälzkörper durch eine erste Zunge gegen den Innenring und/oder den Außenring vorgespannt sind.
Freilaufkupplungsbaugruppe nach Anspruch 1, die ferner eine zweite im Wesentlichen ebene Seitenwand aufweist, wobei jede Aufnahme eine zweite Zunge hat, die sich innerhalb oder parallel zu einer Ebene der zweiten Seitenwand erstreckt.
Freilaufkupplungsbaugruppe nach Anspruch 2, wobei jede erste Zunge als integraler Bestandteil der ersten Seitenwand und jede zweite Zunge als integraler Bestandteil der zweiten Seitenwand gebildet ist.
Freilaufkupplungsbaugruppe nach Anspruch 2, wobei jede erste Zunge eine erste Vertiefung enthält, die eine Erhebung an einem axialen Ende des entsprechenden Wälzkörpers aufnimmt, und wobei jede zweite Zunge eine zweite Vertiefung enthält, die eine Erhebung an einem zweiten axialen Ende des entsprechenden Wälzkörpers aufnimmt.
Freilaufkupplungsbaugruppe nach Anspruch 1, wobei sich die erste Zunge unter einem Winkel Θ in Bezug auf eine Tangente an einem Kontaktpunkt des Wälzkörpers an dem Innenring erstreckt.
Freilaufkupplungsbaugruppe nach Anspruch 5, wobei der Winkel Θ zwischen ungefähr 4 Grad und ungefähr 9 Grad beträgt.
Freilaufkupplungsbaugruppe nach Anspruch 5, wobei der Winkel Θ ungefähr 5 Grad beträgt.
Freilaufkupplungsbaugruppe nach Anspruch 2, wobei sich die erste Zunge und die zweite Zunge jeweils unter einem Winkel Θ in Bezug auf eine Tangente an einem Kontaktpunkt des Wälzkörpers an dem Innenring erstrecken, und wobei die erste und die zweite Zunge so beschaffen sind, dass aufgrund des Winkels Θ bei oder oberhalb einer vorgegebenen Drehzahl Zentrifugalkräfte auf den Wälzkörper einwirken, damit ein Kontakt zwischen dem Wälzkörper und dem Innenring möglichst weit verringert wird, und wobei die erste und die zweite Zunge so beschaffen sind, dass ein Kontakt zwischen dem Wälzkörper und dem Außenring möglichst weit verringert wird.
Kreisförmiger Käfig nach Anspruch 2, wobei jede Zunge im Wesentlichen koplanar oder parallel zu der entsprechenden Seitenwand ist.
Kreisförmiger Käfig nach Anspruch 2, wobei jede Zunge einen abgewandten Abschnitt hat, der sich von der entsprechenden Seitenwand aus schräg in eine axiale Richtung des kreisförmigen Käfigs erstreckt.