DE19625659A1 - Freilaufkupplung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der Freilaufkupplungen und insbesondere auf eine Freilaufkupplung für die Übertragung der Drehung eines Antriebselements auf ein angetriebenes Element in nur einer Richtung.

Ein Verbrennungsmotor erzeugt nur während des Verbren­ nungstaktes Antriebsenergie. Das heißt, während der anderen Takte wird keine Antriebsenergie erzeugt. Daher schwankt die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle wäh­ rend einer Umdrehung.

Um eine solche Schwankung der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle zu verringern, wird deren Trägheit erhöht, indem sie mit einer Schwungscheibe versehen wird.

Es ist jedoch unmöglich, eine solche Schwankung der Winkelgeschwindigkeit vollständig zu beseitigen, da die Torsionsfestigkeit der Kurbelwelle der Erhöhung ihrer Trägheit Grenzen setzt. Eine solche Schwankung der Win­ kelgeschwindigkeit ist bei einem Dieselmotor im Vergleich zu einem Ottomotor besonders groß. Im niedrigen Drehzahl­ bereich kann die Schwankung der Winkelgeschwindigkeit bis zu ±20% erreichen.

Wenn ein Zusatzgerät wie z. B. eine Lichtmaschine über einen Riemenantrieb von einer Kurbelwelle angetrieben wird, deren Winkelgeschwindigkeit leicht schwankt, tritt zwischen dem Riemen und der Riemenscheibe Schlupf auf, da das Zusatzgerät aufgrund seiner großen Trägheit eine stärkere Neigung hat, mit konstanter Drehzahl zu rotie­ ren. Der Riemen wird somit schnell abgenutzt.

Um dieses Problem zu lösen, schlägt die JP 61-228153-A (ungeprüft) eine Riemenantriebsvorrichtung vor, die in Fig. 4 gezeigt ist. Diese Vorrichtung umfaßt eine an einer Kurbelwelle 20 angebrachte Riemenscheibe 21, eine an einer Welle 23 eines Zusatzgeräts 22 angebrachte Riemenscheibe 24, einen Riemen 25, der die Riemenscheiben 21 und 24 koppelt, sowie eine Freilaufkupplung 26, die zwischen der Welle 23 und der Riemenscheibe 24 angebracht ist. Während die Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 20 zunimmt, wird ihre Rotation auf die Welle 23 übertragen. Während die Winkelgeschwindigkeit abnimmt, wird deren Rotation nicht an die Welle 23 übertragen.

Genauer kuppelt die Freilaufkupplung 26 während der Zunahme der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle 20 ein, wobei sie die Welle 23 des Zusatzgeräts 22 mit der Rie­ menscheibe 21 koppelt. Die Rotation der Kurbelwelle 20 wird somit auf die Welle 23 übertragen. Wenn die Welle 23 beginnt, sich schneller zu drehen als die Riemenscheibe 24, kuppelt die Freilaufkupplung 26 aus, was der Welle 23 einen freien Lauf ermöglicht. Somit tritt zwischen der Riemenscheibe 24 und dem Riemen 25 kein Schlupf auf und die Lebensdauer des Riemens 25 wird verlängert.

Eine herkömmliche Freilaufkupplung dieses Typs, die in einer Riemenantriebsvorrichtung verwendet wird, ist eine Rollentyp-Kupplung, die einen Außenring mit mehreren Nockenoberflächen am Innenumfang, einen Innenring mit einer zylindrischen Außenfläche, Wälzelemente, die in keilähnlichen Zwischenräumen montiert sind, die von den Nockenoberflächen und der zylindrischen Außenfläche de­ finiert werden, sowie Federn umfaßt, die in den keil­ ähnlichen Zwischenräumen montiert sind und die Wälzele­ mente in Richtung zu den schmaleren Enden der keilähnli­ chen Zwischenräume vorspannen.

Die Federn sind üblicherweise Blattfedern.

Wenn eine solche Wälzelementtyp-Freilaufkupplung in der in Fig. 4 gezeigten Riemenantriebsvorrichtung verwendet wird, funktioniert sie nicht korrekt, wenn die Motordreh­ zahl auf 4000 min^-1 und darüber erhöht wird. Genauer kuppelt die Freilaufkupplung während der Zunahme der Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle manchmal aus. Solche ausgekuppelten Zustände treten fortlaufend mehr­ fach auf.

Dies liegt daran, daß die Frequenz der Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit, die Proportional zur Motordrehzahl ist, mit der Eigenfrequenz der Federn der Freilaufkupp­ lung übereinstimmt, wenn die Motordrehzahl im hohen Drehzahlbereich einen bestimmten Punkt erreicht. Wenn dies eintritt, geraten die Federn in Resonanz, so daß ihre Bewegungen instabil werden.

Wenn die Freilaufkupplung mehrfach auskuppelt, fällt die Drehzahl der Welle des Zusatzgeräts allmählich ab. Wenn anschließend die Freilaufkupplung einkuppelt, kollidieren die Wälzelemente heftig mit den Nockenoberflächen des Außenrings und der zylindrischen Oberfläche des Innen­ rings und bewirken einen heftigen Eingriff, wodurch die Lebensdauer der Freilaufkupplung erheblich verkürzt wird.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des obenerwähnten Standes der Technik zu besei­ tigen und eine Freilaufkupplung zu schaffen, die selbst dann zuverlässig funktioniert, wenn sich der Motor mit einer Drehzahl dreht, bei der die Federn der Kupplung bestrebt sind, in Resonanz zu treten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Freilaufkupplung, die die im Anspruch angegebenen Merk­ male besitzt.

Da zwei oder mehr verschiedene Arten von Federn mit unterschiedlichen Federkonstanten verwendet werden, besitzen sie wenigstens zwei verschiedene Resonanzpunkte. Selbst wenn eine der zwei oder mehr Arten von Federn in Resonanz treten sollte, wenn die Motordrehzahl einen bestimmten Punkt erreicht, treten daher die übrigen Federn nicht in Resonanz, da sie unterschiedliche Reso­ nanzfrequenzen besitzen. Somit bewegen die Federn, die sich nicht in Resonanz befinden, die Wälzelemente zuver­ lässig in die Verriegelungsposition.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich beim Lesen der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, die auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt; es zeigen:

Fig. 1 eine vertikal geschnittene Vorderansicht einer Riemenscheibeneinheit, die eine Freilaufkupplung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;

Fig. 2 eine Schnittansicht längs der Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsansicht unter­ schiedlicher Federn; und

Fig. 4 die bereits erwähnte schematische Ansicht einer herkömmlichen Riemenantriebsvorrichtung zum An­ treiben eines Zusatzgeräts.

Im folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3, die eine Riemenscheibeneinheit mit einer eingebauten Frei­ laufkupplung zeigen, die an einer Welle eines Zusatzge­ räts angebracht ist, eine Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung beschrieben. Die Riemenscheibeneinheit um­ faßt eine Riemenscheibe 1, zwei Wälzlager 2, die inner­ halb der Riemenscheibe 1 montiert sind, sowie eine Frei­ laufkupplung 3, die zwischen den Wälzlagern 2 angeordnet ist.

Die Freilaufkupplung 3 besitzt einen Außenring 4, der in die Riemenscheibe 1 eingepreßt ist, sowie einen Innenring 5, der ein gemeinsamer Innenring für die Kupplung 3 und die Wälzlager 2 ist.

Der Außenring 4 besitzt an seinem Innenumfang mehrere Nockenoberflächen 6, die in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandet angeordnet sind. Zwischen jeder Nockenober­ fläche 6 und einer zylindrischen Außenfläche 7 des Innen­ rings 5 ist ein keilähnlicher Zwischenraum 8 ausgebildet. In jedem keilähnlichen Zwischenraum 6 sind ein Wälzele­ ment 9 und eine Feder 10 angebracht, so daß das Wälzele­ ment 9 von der Feder 10 in Richtung zum schmaleren Ende des Zwischenraums 8 gedrängt wird.

Die Wälzelemente 9 und die Federn 10 sind von Taschen 12 aufgenommen, die in einem Käfig 11 ausgebildet sind, der zwischen dem Außenring 4 und dem Innenring 5 angebracht ist. Der Käfig 11 ist am Außenring 4 drehfest angebracht.

Die Federn 10 umfassen mehrere unterschiedliche Arten von Federn mit unterschiedlichen Federkonstanten. In dieser Ausführungsform umfassen die Federn zwei Arten von Federn 10a und 10b, die in Umfangsrichtung des Käfigs 11 abwech­ selnd angeordnet sind.

In dieser Ausführungsform ist die Riemenscheibeneinheit an einer Welle 23 eines in Fig. 4 gezeigten Zusatzgeräts 22 angebracht, wobei dessen Riemenscheibe 1 über einen Riemen 25 mit einer Riemenscheibe 21 einer Kurbelwelle 20 gekoppelt ist. Wenn der Motor in diesem Zustand gestartet wird, wird die Rotation der Kurbelwelle 20 auf die Rie­ menscheibe 1 übertragen.

Aufgrund der geringen Schwankungen der Winkelgeschwindig­ keit der Kurbelwelle 20 schwankt auch die Winkelgeschwin­ digkeit der Riemenscheibe 1. Während die Winkelgeschwin­ digkeit der Riemenscheibe 1 zunimmt, sind die Wälzele­ mente 9 mit den Nockenoberflächen 6 des Außenrings 4 und der zylindrischen Außenfläche 6 des Innenrings 5 in Ein­ griff, so daß die Rotation der Riemenscheibe 1 auf die Welle 23 übertragen wird.

Wenn die Winkelgeschwindigkeit der Riemenscheibe 1 ab­ nimmt und die Welle 23 schneller zu rotieren beginnt als die Riemenscheibe 1, bewegen sich die Wälzelemente 9 in Richtung zu den breiteren Enden der keilähnlichen Zwi­ schenräume 8. Dadurch kuppelt die Kupplung aus, wodurch der Welle 23 ermöglicht wird, sich gegenüber der Riemen­ scheibe 1 frei zu drehen, so daß zwischen der Riemen­ scheibe 1 und dem Riemen 25 kein Schlupf auftritt. Auf diese Weise wird die Abnutzung des Riemens 25 vermieden.

Es wurden zehn Riemenscheibeneinheiten mit eingebauten Freilaufkupplungen, in welchen jeweils 24 Federn mit einer Federlast von ungefähr 1 N (100 Pond) montiert sind (Vergleichsbeispiele), sowie zehn Riemenscheibeneinheiten mit eingebauten Freilaufkupplungen vorbereitet, in wel­ chen jeweils zwölf erste Federn mit einer Federlast von ungefähr 1 N (100 Pond) sowie zwölf zweite Federn mit einer Federlast von ungefähr 1,4 N (140 Pond) montiert und in Umfangsrichtung abwechselnd zu den ersten Federn angeordnet sind (Elemente gemäß der vorliegenden Erfin­ dung). Die Riemenscheibe 1 jeder dieser Riemenschei­ beneinheiten wurde in beiden Richtungen mit einer Torsi­ onsschwingungsfrequenz von 150 Hz gedreht, wobei deren Innenring 5 mit einem Bremsdrehmoment von ungefähr 1 Nm beaufschlagt wurde, um deren Lebensdauer zu messen.

Die Torsionsschwingungsfrequenz von 150 Hz entspricht einer Drehzahl von 4500 min^-1 eines Vierzylinder-Vier­ taktmotors.

Die mittlere Lebensdauer der Freilaufkupplungen gemäß der vorliegenden Erfindung betrug 650 Stunden, während dieje­ nige der Freilaufkupplungen der Vergleichsbeispiele lediglich 100 Stunden betrug.

Der Grund dafür, daß die Freilaufkupplung gemäß der vorliegenden Erfindung eine so lange Lebensdauer auf­ weist, liegt darin, daß wenigstens eine der zwei Arten von Federn nicht in Resonanz gerät, selbst wenn die andere der Federarten in Resonanz gerät. Somit können die Federn, die sich nicht in Resonanz befinden, die Wälzele­ mente 9 mit hoher Zuverlässigkeit in ihre verriegelten und entriegelten Positionen bewegen.

Durch Verwendung zweier unterschiedlicher Arten von Federn 10a und 10b mit unterschiedlichen Resonanzpunkten wird jeweils mindestens eine der zwei Federarten davor bewahrt, in Resonanz zu geraten, so daß die Wälzelemente 9 von den Federn, die nicht in Resonanz sind, zuverlässig in ihre verriegelten und unverriegelten Positionen bewegt werden können. Somit tritt kein stoßartiges Verkeilen der Wälzelemente 9 auf.

In der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform werden Rollen als Wälzelemente 9 verwendet. Es können jedoch auch Kugeln verwendet werden.

Ferner sind in dieser Ausführungsform die Federn 10a und 10b Blattfedern. Sie können jedoch Schraubenfedern sein oder ein in Fig. 3 gezeigtes Federelement 13 sein.

Das heißt, zwei unterschiedliche Arten von Federn 10a und 10b werden abwechselnd ausgebildet, indem das Federele­ ment 13 ausgeschnitten wird und die durch das Ausschnei­ den ausgebildeten streifenähnlichen Abschnitte angehoben werden.

Um den zwei Arten von Federn 10a und 10b unterschiedliche Federkonstanten zu verleihen, besitzen diese unterschied­ liche Breiten. Sie können jedoch für diesen Zweck auch unterschiedliche Formen besitzen.

Um das Federelement 13 in der Freilaufkupplung zu montie­ ren, wird auf eine Seite des Käfigs 11 eine ringförmige Scheibe 14 aufgelegt, woraufhin die Federn 10a und 10b durch die in der Seite des Käfigs 11 ausgebildeten Fen­ ster 15 in die Taschen 12 des Käfigs 11 eingesetzt wer­ den, um die Wälzelemente 9 in Richtung zu den schmaleren Enden der keilähnlichen Zwischenräume 8 vorzuspannen.

In jeder Ausführungsform sind zwei unterschiedliche Arten von Federn abwechselnd angeordnet. Sie können jedoch in Zweier- oder Dreiergruppen abwechselnd angeordnet sein. Wenn drei oder mehr Arten von Federn verwendet werden, können sie beliebig angeordnet werden. Ansonsten können sie abwechselnd angeordnet sein oder es können mehrere dieser drei Arten beliebig angeordnet sein.

Claims (1)

1. Freilaufkupplung (3), mit
   einem Außenring (4), der mehrere am Innenumfang ausgebildete Nockenoberflächen (6) besitzt,
   einem Innenring (5), der im Außenring (4) ange­ bracht ist und eine zylindrische Außenfläche (7) besitzt, so daß zwischen den Nockenoberflächen (6) und der zylin­ drischen Oberfläche (7) keilähnliche Zwischenräume (8) ausgebildet sind,
   Wälzelementen (9), die zwischen dem Außenring (4) und dem Innenring (5) in Umfangsrichtung in den keilähn­ lichen Zwischenräumen (8) angeordnet sind, und
   Federn (10), die in den keilähnlichen Zwischen­ räumen (8) angebracht sind, um die Wälzelemente (9) in Richtung zu den schmaleren Enden der keilähnlichen Zwi­ schenräume (8) vorzuspannen, dadurch gekennzeichnet, daß die Federn (10) wenigstens zwei unterschiedliche Arten von Federn (10a, 10b) mit unterschiedlichen Feder­ konstanten umfassen.