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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Einwegkupplung, die ein Drehmoment
in eine Richtung überträgt bzw.
unterbricht.
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Im
allgemeinen besteht eine mechanische Einwegkupplung aus einem inneren
Element, einem äußeren Element
und einer Vielzahl von Elementen zur Drehmomentübertragung, die zwischen dem
inneren und dem äußeren Element
angeordnet sind, wobei bei dieser Anordnung das Drehmoment zwischen
dem inneren und dem äußeren Element
durch Ein- bzw. Ausrücken
der Drehmoment-Übertragungselemente
in das bzw. aus dem äußeren und dem
inneren Element übertragen
oder unterbrochen wird.
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Kupplungen
dieser Art werden in zwei Gruppen eingeteilt: Bei einer Gruppe werden
Kugeln oder Rollen als Drehmoment-Übertragungselemente verwendet,
bei der anderen Klemmkeile.
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Bei
der erstgenannten Gruppe sind Nockenflächen auf einem äußeren Umfang
des inneren Elements oder auf einem inneren Umfang des äußeren Elements
ausgebildet; die Kugeln (oder Rollen) werden in einseitig gerichtete
Keilspalte, welche zwischen den Nockenflächen und dem anderen Element vorliegen,
eingerückt
oder daraus ausgerückt.
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Bei
der letztgenannten Gruppe wird die Neigung von Nockenflächen aufweisenden
Klemmkeilen gesteuert, um ein Ein- bzw. Ausrücken in die bzw. aus der äußeren Umfangsfläche des
inneren Elements und der inneren Umfangsfläche des äußeren Elements zu ermöglichen.
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Bei
jeder dieser Kupplungsarten werden zum Zeitpunkt der Unterbrechung
des Kraftflusses die Drehmoment-Übertragungselemente
gelöst,
wenn sie aus dem inneren und dem äußeren Element ausgerückt werden;
deshalb hat die Kupplung selbst nicht die Funktion, Radiallasten
zu tragen und wird gewöhnlich
in Kombination mit einem Radiallager verwendet.
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Aus
der
US 3,978,566 ist
ein Verfahren zum präzisen
Zusammensetzen einzelner Komponenten eines Lagers bekannt, bei dem
der Außen-
oder Innenring des Lagers durch einen Schnitt zweigeteilt und anschließend verklebt
wird.
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Auch
die
US 5,261,159 A lehrt
ein Verfahren zur Montage eines Lagers, bei dem ein Lagerring durch
zwei im Wesentlichen symmetrisch geschnittene und zusammengesetzte
Ringhälften
aufgebaut wird.
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Bei
aus dem Stand der Technik bekannten derartigen Anordnungen aus einer
Kombination einer Einwegkupplung und einem Radiallager nehmen jedoch
axiale Ausmessung und Gewicht zu; die Kosten steigen, so daß sie für Verwendungszwecke,
bei welchen extreme Einschränkungen
bezüglich
Größe, Gewicht
und Kosten zu beachten sind, nachteilig ist.
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Die
vorliegende Erfindung löst
die Aufgabe, eine Einwegkupplung zu schaffen, die sowohl die Funktion
einer Einwegkupplung als auch die Funktion eines Wälzlagers
hat.
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Eine
derartige Einwegkupplung nach der Erfindung weist ein inneres Element
auf, das entlang eines Außenumfangs
eine Laufrille aufweist, ein äußeres Element,
das entlang eines Innenumfangs eine Laufrille besitzt, eine Vielzahl
zwischen den Laufrillen angeordneter Wälzkörper, und einen Käfig mit
einer einseitig gerichteten Nockenfläche, wobei in einer Richtung
das innere und das äußere Element
relativ gedreht werden, während
sie gleichzeitig durch die Wälzkörper eine
Last tragen, und in der anderen Richtung das innere und das äußere Element
miteinander verrastet werden durch ein In-Eingriff-Bringen der Wälzkörper und
der Nockenfläche
des Käfigs bzw.
Einrücken
der Wälzkörper in
die Nockenfläche des
Käfigs.
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Der
Käfig ist
auf der Laufrille eines der inneren bzw. äußeren Elemente angeordnet und
weist eine Nockenfläche
auf, die mit der Laufrille des anderen Elements so zusammenwirkt,
daß ein
Keilspalt in eine Richtung definiert wird.
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Der
Käfig kann
als Ring ausgebildet sein, der mindestens einen Spalt aufweist,
oder aus Teilringen bestehen, die entlang eines Umfangs, zusammengesetzt
sind.
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Der
Käfig ist
in der Umfangsnut eingesetzt, die in der Laufrille eines Elements
ausgebildet ist
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Der
Käfig kann
ein ringförmiges
Element aufweisen, das auf der Laufrille eines Elements befestigt ist,
eine Vielzahl von Säulenbereichen,
welche sich von dem ringförmigen
Element zu der Laufrille des anderen Elements erstrecken sowie Taschen,
die jeweils von dem ringförmigen
Element und den entlang des Umfangs benachbarten Säulenbereichen
umgeben sind. Sie dienen dazu, den Wälzkörper aufzunehmen, und eine
Nockenfläche
vorzusehen, die auf einer Wandfläche
des ringförmigen
Elements auf der Seite der Taschen ausgebildet ist und die mit der Laufrille
des anderen Elements so zusammenwirkt, daß in eine Richtung ein Keilspalt
definiert wird.
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Das
eine drehbare Element ist durch einen orthogonal zur Achse vorliegenden
Schnitt halbiert, wobei ein halbiertes äußeres Element dieser Art durch
einen Haltering gehalten werden kann.
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Der
Käfig kann
aus Syntheseharz bestehen, während
die Wälzkörper aus
einem keramischen Material bestehen können. Außerdem können Teile eines Wälzlagers
als inneres Element, äußeres Element
und Wälzkörper verwendet
werden.
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Bei
der Herstellung eines Lagerrings als eines der Elemente ist es ratsam,
ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerring-Rohstückes zu
verwenden, dessen Laufrille bei einem Längsschnitt nur eine sphärische Fläche mit
einem Krümmungsradius
aufweist, der um einen vorherbestimmten Betrag größer ist
als ein Radius einer als Wälzelement
dienenden Kugel, und dessen Breite um einen vorherbestimmten Betrag
größer ist
als die Breite des kompletten Lagerrings.
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Dann
wird das Lagerring-Rohstück
entlang einer breitenmäßigen Mittellinie
halbiert und eine Spaltfläche
jedes Teilstückes
um einen Betrag geschnitten, der dem vorherbestimmten Betrag entspricht.
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Die
Einwegkupplung der vorliegenden Erfindung weist einen relativ einfachen
Aufbau auf und hat dennoch sowohl die Funktion einer Einwegkupplung als
auch die Funktion eines Wälzlagers;
deshalb wird durch die erfindungsgemäße Anordnung im Vergleich zu
der bekannten Anordnung, bei welcher auch ein Radiallager verwendet
wird, eine Abnahme der axialen Ausmessung, der Größe und der
Kosten erzielt. Sie ist insbesondere für Anwendungsgebiete, bei welchen
extreme Ein schränkungen
bezüglich Größe, Gewicht
und Kosten zu beachten sind, geeignet.
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Außerdem können Standardlagerringe
als inneres und äußeres Element
verwendet werden, und zwar entweder in bereits bestehender Form, oder
nachdem sie bearbeitet wurden; dies ist im Hinblick auf die Kosten
sehr vorteilhaft.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsformen
näher erläutert. In
der Zeichnung zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
(1a) durch eine Riemenscheibe einer Drehstromlichtmaschine nach
der vorliegenden Erfindung und einen Querschnitt (1b)
einer Einwegkupplung;
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2 eine
Seitenansicht eines Käfigs;
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3 einen
vergrößerten Schnitt
durch den Randbereich um eine Nockenfläche gemäß 1;
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4 einen
Querschnitt durch eine Einwegkupplung nach einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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5 einen
Querschnitt (5a) durch eine Einwegkupplung
nach einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung und eine perspektivische Darstellung
(Fig. b) eines Federelements;
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6 einen
Längsschnitt
durch eine Riemenscheibe einer Drehstromlichtmaschine nach einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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7 einen
vergrößerten Schnitt
durch die Außenring-Laufrille
einer Einwegkupplung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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8 einen
Längsschnitt
(8a) durch eine Riemenscheibe einer
Drehstromlichtmaschine nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
einen Querschnitt (8b) durch eine
Einwegkupplung;
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9 einen
Längsschnitt
(9a) und einen Querschnitt (9b) durch eine Einwegkupplung nach einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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10 einen
Längsschnitt
durch eine Einwegkupplung nach einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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11 einen
Längsschnitt
durch eine Einwegkupplung nach einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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12 einen
Längsschnitt
(12a) durch eine Riemenscheibe einer
Drehstromlichtmaschine nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
einen Querschnitt (12b) durch eine
Einwegkupplung;
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13 einen
Längsschnitt
(13a) durch eine Riemenscheibe einer
Drehstromlichtmaschine nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung und
einen Querschnitt (13b) durch eine
Einwegkupplung;
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14 einen
vergrößerten Schnitt
durch die Laufrille eines Außenrings;
und
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15 eine
Darstellung des Verfahrens zur Herstellung des Außenrings
nach 14.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf Ausführungsformen
beschrieben, bei welchen die Erfindung in einer Einwegkupplung Anwendung
findet, welche z.B. in einer Riemenscheibe einer Drehstromlichtmaschine
für Kraftfahrzeuge
verwendet wird.
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Eine
in 1 dargestellte Riemenscheibe einer Drehstromlichtmaschine
weist einen Riemenscheibenkörper
auf, welcher entlang eines Außenumfangs
ausgebildete Nuten 1a zur Aufnahme eines Riemens aufweist,
sowie eine zwischen dem Riemenscheibenkörper 1 und einer Wellenbuchse 2 angeordnete
Einwegkupplung 3. Die Anordnung ist so ausgeführt, daß sie das
Drehmoment von einer Kurbelwelle eines Motors über einen Treibriemen aufnimmt
und sie auf eine nicht dargestellte (in die Wellenbuchse 2 eingesetzte)
Antriebswelle für
die Drehstromlichtmaschine überträgt. Wie
nachfolgend noch beschrieben wird, hat die Einwegkupplung 3 die Funktion,
einen Schlupf des Treibriemens aufgrund von Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit
der Antriebsseite (Kurbel-wellenseite) zu verhindern und einen Verschleiß des Treibriemens
zu unterdrücken.
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Die
Einwegkupplung 3 weist einen Innenring 3a auf,
der auf einer äußeren Umfangsfläche der Wellenbuchse 2 befestigt
ist, einen Außenring 3b, der
auf einem inneren Umfang des Riemenscheibenkörpers 1 befestigt
ist, eine Vielzahl von Kugeln 3c, die zwischen der Laufrille 3a1 des
Innenrings 3a und einer Laufrille 3b1 des Außenrings 3b angeordnet sind,
einen Käfig 3d,
sowie ein Paar Dichtungselemente 3e, die an gegenüberliegenden
Enden des Außenrings 3b befestigt
sind. Der Außenring 3b ist
gegen Abrutschen gesichert befestigt, und zwar durch einen auf dem
inneren Umfang des Riemenscheibenkörpers 1 angeordneten
Anschlagring 4.
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Bei
dieser Ausführungsform
ist der Außenring 3b so
gestaltet, daß ein
Lager-Außenring
eines Standard-Rillenkugellagers entlang einer Lagermittellinie
halbiert und in einer Unterseite der Laufrille 3b1 eine
Umfangsnut 3b2 gebildet ist. Der Zweck der Ausbildung des
Außenrings 3b in
zwei Teilen liegt darin, das Einbringen der Kugeln 3c zwischen
die Laufrillen 3a1 und 3b2 zu vereinfachen; der
Zweck der Bildung der Umfangsnut 3b2 in der Laufrille 3b1 liegt darin,
den Käfig 3d so
anzuordnen, wie nachfolgend beschrieben.
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Außerdem wird
ein innerer Lagerring des Standard-Rillenkugellagers als herkömmlicher
Innenring 3a verwendet.
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Wie
in 2 dargestellt, weist der Käfig 3d einen ringförmigen Bereich 3d1 auf,
der in der Umfangsnut 3b2 des Außenrings 3b angeordnet
ist, eine Vielzahl von Säulenbereichen 3d2,
die sich kontinuierlich von dem ringförmigen Bereich 3c1 radial
nach innen erstrecken, Taschen 3d3, die jeweils durch den ringförmigen Bereich 3d1 und
zwei entlang des Umfangs benachbarte Säulenbereiche 3d2 begrenzt sind,
sowie Nockenflächen 3d4,
die auf einer Wandfläche
des ringförmigen
Bereiches 3d1 auf der Seite der Taschen ausgebildet sind.
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Außerdem ist
bei dieser Ausführungsform der
Käfig 3d ein
einfach gespaltener Ring mit einem einzigen Spalt 3d5,
der so konstruiert ist, daß der Spaltring,
wenn er einer von außen
wirkenden Kraft von der Seite des Innendurchmessers oder des Außendurchmessers
ausgesetzt ist, sich frei ausdehnt oder zusammenzieht, aber elastisch
in den ursprünglichen
Zustand zurückversetzt
wird, wenn die äußere Kraft
wegfällt.
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Der
Außendurchmesser
D des Käfigs 3d hat in
dessen freiem Zustand die gleiche Größe wie der Durchmesser der
Unterseite der Umfangsnut 3b2 des Außenrings 3b.
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Der
Begriff "gleiche
Größe" schließt die beiden
Fälle ein,
bei denen sie (1) anscheinend gleich (im Bereich eines Herstellungsfehlers)
oder (2) etwas geringer ist. Die Breite des Käfigs 3d ist vorzugsweise
etwas geringer als die Breite der Umfangsnut 3b2.
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Wie
vergrößert in 3 dargestellt,
ist die Nockenfläche 3d4 des
Käfigs 3d eine
Kegelfläche, die
bezüglich
einer Tangente L an einem Berührungspunkt
C1 der Kugel 3c und der Laufrille 3a1 (Berührungspunkt
C2 mit der Laufrille 3b1) in einem Winkel Θ geneigt
ist. Der Neigungswinkel Θ basiert
vorzugsweise auf dem allgemeinen Wert für Einwegkupplungen. Da die
Nockenfläche 3d4 so
geformt ist, wird ein Keilspalt zwischen der Nockenfläche 3b4 und
der Laufrille 3a1 definiert, der nach einer Richtung abnimmt
(gegen den Uhrzeigersinn, wie aus der gleichen Figur ersichtlich).
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3 zeigt
den Zustand, bei dem die Kugel 3c aus dem Keilspalt ausgerückt ist;
in diesem Zustand rollt die Kugel 3c und steht gleichzeitig
an den Punkten C1 und C2 mit den Laufrillen 3a1 und 3b1 in Kontakt,
so daß sie
als gewöhnlicher
Wälzkörper eines
Lagers dient. Deshalb wird die Übertragung
des Drehmoments zwischen dem Außen-
und dem Innenring 3b und 3a unterbrochen, so daß der Außenring 3b in
bezug auf den Innenring 3a leer läuft.
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Gleichzeitig
wird die Radiallast vom Außenring 3b durch
die Vielzahl von Kugeln 3c getragen. Wenn sich die Kugel 3c bezüglich des
Käfigs 3d von dem
in dieser Figur dargestellten Zustand entgegen dem Uhrzeigersinn
bewegt und damit auf die Nockenfläche 3d4 drückt, nimmt
andererseits der Durchmesser des Käfigs 3d leicht zu,
so daß die Wandfläche (Außendurchmesser
D) des ringförmigen
Bereiches 3d1 auf der den Taschen gegenüberliegenden Seite gegen die
Unterseite der Umfangsnut 3b2 drückt.
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Wenn
sich die Kugel 3c von diesem Zustand aus weiter relativ
gegen den Uhrzeigersinn bewegt (oder versucht, sich relativ zu bewegen),
wird sie vollständig
in den zwischen der Nockenfläche 3d4 und der
Laufrille 3a1 definierten Keilspalt eingerückt; die Innen-
und Außenringe 3a und 3b werden
durch die Kugel 3c miteinander verrastet.
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Hierdurch
wird das Drehmoment vom Außenring 3b in
der Folge Außenring 3b → Käfig 3d → Kugel 3c → Innenring 3a übertragen,
so daß der
Innenring 3a mit dem Außenring 3b rotiert.
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Diese
Einwegkupplung 3 ist so ausgebildet, daß das Ein- und Ausrücken der
Kugeln 3c bezüglich des
Keilspaltes automatisch durch die mit der Rotation des Außenrings 3b einhergehende
Rotation des Käfigs 3d erfolgt.
Wie oben beschrieben, hat der Außendurchmesser D im freien
Zustand des Käfigs 3d (in
diesem Zustand ist der Käfig
keiner Last von den Kugeln 3c ausgesetzt) die gleiche Größe wie der Durchmesser
der Unterseite der Umfangsnut 3b2.
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Wenn
der Außenring 3b gedreht
wird, rotiert deshalb der Käfig 3d mit,
wenn er aufgrund der Reibungskraft durch den Kontakt zwischen dem
ringförmigen
Bereich 3d1 und der Umfangsnut 3b2, der Viskosität der Ölfilme zwischen
dem ringförmigen
Bereich 3d1 und der Umfangsnut 3b2 o.ä. eine in
Drehrichtung gerichtete Kraft vom Außenring 3b erfährt.
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Wenn
in 3 beispielsweise der Außenring 3b gegen den
Uhrzeigersinn gedreht wird, rotiert der Käfig 3d mit dem Ring
gegen den Uhrzeigersinn, da er durch die Rotation des Außenrings 3b gezogen wird.
Deshalb wird die Kugel 3c bezüglich des Käfigs 3d im Uhrzeigersinn
bewegt und aus dem Keilspalt ausgerückt, wodurch sie die Übertragung
des Drehmoments unterbricht.
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Wird
die Drehrichtung des Außenrings 3b von
diesem Zustand in die Richtung des Uhrzeigersinns geändert, geht
damit eine Drehung des Käfigs 3d im
Uhrzeigersinn einher, da dieser durch die Rotation des Außenrings 3b mitgezogen
wird. Daher wird die Kugel 3c bezüglich des Käfigs 3d gegen den Uhrzeigersinn
bewegt und in den Keilspalt eingerückt, so daß sie damit das Drehmoment überträgt.
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Das
heißt,
die Änderung
der Drehrichtung des Außenrings 3b in
bezug auf den Innenring 3a schaltet automatisch die Kupplung
zwischen Drehmomentübertragung
und -unterbrechung.
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Beschreibt
man den obengenannten Vorgang in bezug auf eine Riemenscheibe einer
Drehstrom-Lichtmaschine, so ergibt sich, daß, wenn die Umfangsgeschwindigkeit
des Treibriemens in Abhängigkeit
von der abnehmenden Winkelgeschwindigkeit der Kurbelwelle abnimmt,
die Antriebsrotation des Außenrings
(der Antriebsseite) leicht hinter der Trägheitsrotation des Innenrings
(der angetriebenen Seite) zurückliegt.
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Wenn
der Innen- und der Außenring
miteinander verbunden sind, wird zu diesem Zeitpunkt das Eingangsdrehmoment
umgekehrt vom Innenring an den Außenring abgegeben, so daß sich ein
Abstand zwischen der Umfangsgeschwindigkeit des Treibriemens und
der Drehung des Riemenscheibenkörpers ergibt,
wodurch ein Schlupf des Treibriemens in bezug auf den Riemenscheibenkörper auftreten
würde.
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Die
Einwegkupplung 3 unterbricht die Übertragung des Drehmoments
zwischen dem Außen- und
Innenring 3b und 3a während einer solchen verspäteten Rotation
des Außenrings,
d.h. der relativen Rotation gegen den Uhrzeigersinn, um zu ermöglichen,
daß der
Außenring 3b leer
läuft (Unterbrechung
der umgekehrten Eingangsenergie vom Innenring 3a), wodurch
ein Schlupf aufgrund der abnehmenden Umfangsgeschwindigkeit des
Treibriemens verhindert und damit die Funktion einer Unterdrückung des
Verschleißes
des Riemens erfüllt
wird.
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Während der
Unterbrechung des Drehmoments wirkt die Einwegkupplung 3 als
Wälzlager
und erfüllt
die Funktion, die vom Treibriemen ausgehende Riemenlast zu tragen.
Wird der Außenring 3b aus diesem
Zustand in bezug auf den Innenring 3a im Uhrzeigersinn
gedreht, so wird die Kupplung 3 automatisch auf Drehmomentübertragung
geschaltet.
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Das
heißt,
die Änderung
der Umfangsgeschwindigkeit des Treibriemens, die mit der Winkelgeschwindigkeit
der Kurbelwelle einhergeht, führt
zu einem automatischen Schalten zwischen Drehmomentübertragung
und -unterbrechung.
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Darüberhinaus
hängt die
Schaltreaktion der Einwegkupplung von dem Mitdrehen des Käfigs 3d, der
Form (einschließlich
des Neigungswinkels Θ, etc.),
der Nockenfläche 3d4 und
dem Kupplungsspiel o.ä.
ab; deshalb ist es zu bevorzugen, daß diese Faktoren entsprechend
den Betriebsbedingungen auf optimale Werte festgelegt werden.
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Bei
der Ausführungsform
nach 4 wird der Käfig 3d so
gestaltet, daß eine
Vielzahl von Teilringen 3d' (einen
Umfang bildend) zusammengesetzt sind. Jeder Teilring 3d' weist einen
ringförmigen
Bereich auf, der dazu vorgesehen ist, in die Umfangsnut 3b2 des
Außenrings 3b eingesetzt
zu werden, zwei Säulenbereiche 3d'2, die sich
von dem ringförmigen Bereich 3d'1 radial nach
innen erstrecken, eine durch den ringförmigen Bereich 3d'1 und zwei Säulenbereiche 3d'2 begrenzte
Tasche, sowie eine auf der Wandfläche des ringförmigen Bereiches 3d' auf der Seite
der Tasche ausgebildete Nockenfläche 3d'3.
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Wenn
jeder Teilring 3d' durch
die Kugel 3c einen Stoß erfährt, wird
er leicht bewegt, so daß die Wandfläche des
ringförmigen
Bereiches 3d'1 auf
der Seite der Tasche gegen die Unterseite der Umfangsnut 3b2 gedrückt wird.
Die restlichen Hauptfunktionen und -wirkungen entsprechen denen
der vorherigen Ausführungsform,
so daß auf
eine Beschreibung verzichtet wird.
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Die
in 5 dargestellte Ausführungsform ist so beschaffen,
daß in
die Anordnung nach 4 ein Federelement 3e auf
dem Säulenbereich 3d'2 jedes Teilrings 3d' auf der Seite
angeordnet ist, die der Seite des Keilspaltes gegenüberliegt.
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Jedes
Federelement 3e weist einen U-förmigen Befestigungsbereich 3e1 zur
Befestigung auf dem Säulenbereich 3d'2 auf, sowie
eine gebogene, sich von dem Befestigungsbereich 3e1 einstückig erstreckende
Feder 3e2. Der Federbereich 3e1 des Federelements 3e ist
ständig
mit der Kugel 3c in Kontakt, um letztere zu der Seite des
Keilspaltes hin zu drücken;
deshalb ist hier, verglichen mit der Anordnung nach 4,
die Reaktion zum Schalten auf Drehmomentübertragung besser.
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Bei
der in 6 dargestellten Ausführungsform befinden sich Dichtungselemente,
z.B. O-Ringe 5, zwischen dem Außenumfang des Außenrings 3b und
dem Innenumfang des Riemenscheibenkörpers 1. Die O-Ringe 5 sitzen
in ringförmigen
Nuten, die in dem Außenumfang
des Außenrings 3b ausgebildet sind;
jeweils einer von ihnen ist auf jeder Seite des Spalts im Außenring 3b angeordnet.
Diese Ausführungsform
dient dazu, zu verhindern, daß ein Schmiermittel
aus dem Spalt im Außenring 3b entweicht.
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In 7 liegt
die Laufrille 3b1 des Außenrings 3b in Form
eines Spitzbogens vor. Die Kugel 3c steht an zwei Punkten
C3 und C4 winkelig mit der Laufrille 3b1 in Kontakt, berührt jedoch
nicht den Bereich an der Unterseite der Laufrille 3b1,
der die Umfangsnut 3b2 aufweist. Da die Kugel 3c während der Rotation
nicht die Eingangskante der Umfangsnut 3b2 berührt, ist
diese Anordnung als Mittel zur Verbesserung der Haltbarkeit sehr
wirksam.
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Bei
der Ausführungsform
nach 8 weisen der Innenring 3a und der Außenring 3b jeweils
Einsatznuten 3g und 3f auf. Die Einsatznut 3g steht
an einer Endfläche
des Außenrings 3b mit
der Laufrille 3a1 in Verbindung, während die Einsatznut 3f an
einer Endfläche
des Außenrings 3b mit
der Laufrille 3b1 in Verbindung steht.
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Kugeln 3c können von
den Einsatznuten 3g und 3f aus in den Raum zwischen
den Laufrillen 3a1 und 3b1 eingesetzt werden.
Deshalb weist der Außenring 3b bei
dieser Ausführungsform
nicht den oben beschriebenen zweiteiligen, sondern einen einteiligen
Aufbau auf.
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Bei
der in 9 dargestellten Ausführungsform werden Rollen 3c' als Wälzkörper verwendet. Der
Außenring 3b wird
konstruiert, indem ein Lager-Außenring
eines Standard-Rollenlagers entlang einer Lagermittellinie halbiert
wird, und die Laufrille 3b'1 weist
eine Umfangsnut 3b'2 auf.
Die Umfangsnut 3b'2 befindet
sich im wesentlichen in der Mitte der Laufrille 3b'1 und ist breiter
als im Fall der oben beschriebenen Ausführungsform, wobei auch die
Breite des Käfigs 3d entsprechend
größer ist.
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Deshalb
kann aufgrund der Verwendung von Rollen 3c' als Wälzelemente eine vermehrte Aufnahmekapazität einer
Radiallast und aufgrund der erhöhten
Festig keit des Käfigs 3d eine
vermehrte Bremsmomentkapazität
erwartet werden. Darüberhinaus wird
der Lager-Innenring des Standard-Rollenlagers als Innenring 3a' verwendet.
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Bei
der in 10 dargestellten Ausführungsform
ist die Laufrille 3b1'' so ausgebildet,
daß sie
an zwei Punkten C2 und C3 einen winkeligen Kontakt mit der Kugel 3c bildet;
ein Raum, in dem sich der Käfig 3d befindet,
ist zwischen der Unterseite der Laufrille 3b1'' und der Kugel 3c definiert.
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Bei
dieser Ausführungsform
liegt der Außenring 3b1'' in Form eines Lager-Außenrings
eines Kugellagers vor, der entlang einer Lagermittellinie halbiert
ist; er weist zwei ebene Flächen
auf, die an der Unterseite ineinander übergehen.
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Die
Laufrille 3b1'' kann in Form
eines Spitzbogens, einer Parabel oder einer Hyperbel vorliegen. Da
die Umfangsnut in der Laufrille wegfallen kann, führt dies,
verglichen mit den oben beschriebenen Ausführungsformen, zu einer Vereinfachung
des Herstellungsverfahrens. Darüberhinaus
wird ein Lager-Innenring eines Standard-Rillenkugellagers als Innenring 3a verwendet.
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Bei
der in 11 dargestellten Ausführungsform
wird ein halbierter Außenring 3b durch
einen Haltering 5 gehalten. Die Arbeitsschritte zum Zusammenbauen
dieser Anordnung bestehen darin, die Kugeln 3c und den
Käfig 3d zwischen
den Innen- und den
Außenring 3a und 3b einzubringen,
den Haltering 5 auf dem Außenumfang des Außenrings 3b zu befestigen,
und ein Ende oder beide Enden des Halterings 5 in die Endfläche des
Außenrings 3b zur Montage
zu falten.
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Bei
dieser Ausführungsform
wird vorher ein Flansch 5e an dem anderen Ende des Halterings 5 angeordnet;
nachdem der Haltering 5 auf dem Außenumfang des Außenrings 3b befestigt
worden ist, wird nur ein Ende gefaltet, um einen Flansch 5b zu bilden.
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Außerdem kann
der vorgenannte Faltvorgang entfallen, wenn eine ausreichende Haltekraft durch
bloßes
Befestigen (unter Druck) des Halterings 5 auf dem Außenumfang
des Außenrings
erzielt werden kann.
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In
diesem Fall kann der Haltering 5 so ausgebildet sein, daß er nur
einen oder überhaupt
keinen Flansch aufweist. Dank der Konstruktion, bei der die Kupplungselemente,
wie z.B. der halbierte Außenring 3b,
der Innenring 3a, die Kugeln 3c und der Käfig 3d durch
den Haltering 5 zusammengesetzt sind, ist die Anordnung
einfach zu handhaben.
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Bei
der in 12 dargestellten Ausführungsform
besteht der Käfig 3d,
der eines der Hauptelemente der vorgenannten Kupplung darstellt,
aus einem Syntheseharz. Was die Syntheseharze zur Bildung des Käfigs betrifft,
so können
hier beispielsweise thermoplastische Harze verwendet werden, wie z.B.
Polyamid (PA), Polyacetal (POM), Polyethersulfon (PES), Polyetheretherketon
(PEEK), Polyamidimid (PAI), Polyetherimid (PEI), Polyphenylensulfid (PPS)
und thermoplastisches Polyimid, aber auch duroplastische Harze,
wie z.B. Phenolharz, und gänzlich
aromatisches Polyimid (PI).
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Unter
Berücksichtigung
- (1) der Überlegenheit
bezüglich
der mechanischen Eigenschaften, der Verschleißeigenschaften und der thermischen
Eigenschaften, vom Standpunkt der Haltbarkeit aus gesehen,
- (2) des Erfordernisses, eine ausreichende Elastizität aufzuweisen,
um den Wert an diametraler Ausdehnung und Kontraktion erwarten zu
können,
der für
das Kupplungselement notwendig ist, wenn der Käfig 3d als vollständiger Ring
(ohne Spalt) vorliegt,
- (3) des Erfordernisses, gute Gleiteigenschaften aufzuweisen,
da während
des Leerlaufs ein Gleiten unter Kontakt mit der Umfangsnut 3b2 zu
erwarten ist, und
- (4) des Erfordernisses, daß das
Material möglichst
preiswert und außerdem
leicht formbar ist, um Herstellungskosten zu senken,
sind
von diesen Syntheseharzen jedoch das Polyamidharz (PA) und das Polyetheretherketon
(PEEK) zu bevorzugen. Von diesen ist wiederum das Polyamidharz (PA)
besonders geeignet. Was Polyamide betrifft, so können beispielsweise Polyamid
6, Polyamid 6-6, Polyamid 4-6, Polyamid 6-10, Polyamid 6-12, Polyamid
11 und Polyamid 12 verwendet werden.
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Außerdem kann
zum Zweck der weiteren Verbesserung der Gleiteigenschaften das Polyamidharz
mit einem Fluorharz o.ä.
imprägniert
werden. Was Fluorharze betrifft, so können hier Polytetrafluorethylenharze
(PTFE), Tetrafluorethylen-Perfluoralkylvinylether-Copolymer
(PFA), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen-Copolymer (FEP), Tetrafluorethylen-Ethylen-Copolymer
(ETFE), Polychlortrifluorethylenharz (PCTFE) und Polyvinylfluoridharz
(PVF) verwendet werden, wovon PTFE, PFA, FEP und ETFE zu bevorzugen
sind; insbesondere PFE, das den niedrigsten Reibungskoeffizienten
hat (der dynamische Reibungskoeffizient liegt bei 0,10), ist besonders
geeignet.
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Außerdem können innerhalb
eines Bereiches, in dem die Wirkung der Erfindung nicht beeinträchtigt wird,
verschiedene Füllstoffe
hinzugefügt werden.
Was diese Füllstoffe
betrifft, so können
Verstärkungsmaterialien
verwendet werden, wie z.B. Glasfaser, Kohlenstoff-Faser, Aramid-Faser,
Kalziumtitanat-Whiskerkristalle, Wollastonit, Aluminiumborat-Whiskerkristalle,
und Kalziumsulfat-Whiskerkristalle,
anorganische Pulver, wie z.B. Molybdänbisulfid, Graphit, Kohlenstoff,
Kalziumkarbonat, Talk, Glimmer, Kaolin, Eisenoxid, Glasperlen und
Phosphate, Harzpulver, wie z.B. Polyimidharz, aromatisches Polyesterharz,
Polyetherketonharz, Polyphelylensulfidharz und Silikonharz, und
schließlich
Gleitmittel, wie z.B. Silikonöl,
Fluoröl,
Wachs und Stearate.
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Was
die Verfahren zur Herstellung der Polyamidharze betrifft, so ist
es möglich,
verschiedene bekannte Formverfahren anzuwenden, wie z.B. Spritzgießen, Extrudieren
und Monomergießen;
im Hinblick auf die niedrigen Kosten und die Verarbeitungseffizienz
ist jedoch Spritzgießen
zu bevorzugen.
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Darüberhinaus
können
auf das Formen eine Wärmebehandlung
und eine Veredelungsbehandlung folgen.
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Eine
Wärmebehandlung
wird durchgeführt, um
Restspannungen in dem Formstück
zu vermindern, und um die Formbeständigkeit, die Kristallisierung
und mechanische Eigenschaften zu verbessern. Als Mittel zur Wärmebehandlung
können
Wasser, flüssiges
Paraffin und Härteöl verwendet
werden.
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Die
Veredelungsbehandlung ist ein Verfahren, bei dem das Formstück in kurzer
Zeit die Gleichgewichtsmenge an Wasser aufnehmen muß, um die Formbeständigkeit
zu verbessern.
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Es
ist ratsam, für
die Veredelungsbehandlung kochendes Wasser oder eine wässrige Lösung aus
Kaliumacetat zu verwenden. Außerdem
können die äußeren und
inneren Umfangsflächen
nach dem Formen einer Schleifbehandlung unterzogen werden.
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Als
Syntheseharz zur Bildung des Käfigs 3d kann – abgesehen
von den oben aufgeführten
Syntheseharzen – auch
sog. Copna-Harz verwendet werden. Dabei ist ein "Copna-Harz" ein duroplastisches Harz, das hergestellt
wird, indem ein polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff, wie
z.B. Naphthalen, Anthracen, Phenanthren, Pyren oder Kohlenteerpech,
durch Paraxylylenglykol in der Anwesenheit eines Säurekatalysators
vernetzt wird.
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Die
Reaktion läuft
in Form einer Austauschreaktion einschließlich Dehydratisierung ab,
wodurch eine Struktur gebildet wird, bei der eine Anzahl von kondensierten
polycyclischen aromatischen Kernen durch Benzylbindungen miteinander
verbunden sind; das Produkt hieraus heißt "Kondensiertes Polynukleares Aromatisches
Harz" ("Condensed Polynuclear Aromatic
Resin").
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Außer den
oben angeführten
Syntheseharzen ist es auch möglich,
Syntheseharze zu verwenden, die die gleichen oder bessere Eigenschaften
haben (Gleiteigenschaften, mechanische Eigenschaften, etc.) wie
bzw. als die obengenannten Syntheseharze.
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Die
Bildung des Käfigs 3d aus
einem Syntheseharz verbessert die Verarbeitung und reduziert die Kosten.
Dabei ist insbesondere die Bildung des Käfigs 3d durch Spritzgießen unter
dem Gesichtspunkt der Verarbeitung, der Kosten und der Massenproduktion
sehr vorteilhaft; in diesem Fall kann dadurch, daß es kein
Abscheren des Materials gibt, wie es bei einer Formgebung durch
Zerspanen der Fall wäre,
die Nockenfläche
glatt feinbearbeitet werden. Die Funktion der Drehmomentübertragung
und -unterbrechung wird stabilisiert.
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Da
keine Reaktion zwischen den Kugeln 3 und der Nockenfläche des
Käfigs 3d auftritt,
wird außerdem
eine zuverlässige
Kupplungsfunktion gewährleistet.
Darüberhinaus
werden Stöße, die
bei plötzlichem
Schalten auf Drehmomentübertragung auftreten,
und Vibrationen, die durch den Innenring 3a, den Außenring 3b und
die Kugeln 3c übertragen werden,
durch die Elastizität
des aus Syntheseharz bestehenden Käfigs 3d aufgenommen;
deshalb ist die Kupplung bezüglich
der Vibrationseigenschaften und der Schalleigenschaften den bekannten
Konstruktionen überlegen.
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Bei
der in 13 dargestellten Ausführungsform
bestehen Kugeln 3c aus einem keramischen Material. Da der
Kontakt zwischen den Kugeln 3c und den Laufrillen 3b1, 3b2 und
der Kontakt zwischen den Kugeln 3c und dem Käfig 3d Keramik-Metall-Kontakte sind,
tritt – verglichen
mit dem Kontakt zwischen gleichen Metallen – kaum ein Blockieren zwischen
Kontaktflächen
auf.
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Aus
diesem Grund tritt auf der Oberfläche der Kugel, der Laufrillen
und der Nockenfläche
kaum eine Oberflächenrauheit
aufgrund von Verschleiß durch
Blockieren auf, so daß hierdurch
die Haltbarkeit der Kupplung verbessert wird; eine Verschlechterung
der Schalleigenschaften aufgrund der Aufrauhung der Kontaktflächen tritt
kaum auf.
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Außerdem führt das
seltene Auftreten eines Blockierens im Kontaktbereich zwischen den
Kugeloberflächen
und der Nockenfläche
dazu, daß eine
Reaktion zwischen den Kugeln und der Nockenfläche vermieden wird, wodurch
die Kupplungsfunktion zuverlässiger
gemacht und insbesondere die Schaltreaktion von Drehmomentübertragung
zu Drehmomentunterbrechung verbessert wird.
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Der
Lagerring (Innenring oder Außenring), bei
dem die Laufrille an zwei Punkten einen winkeligen Kontakt mit der
Kugel bildet, wie in 7 oder 10 dargestellt,
kann durch das nachfolgend erläuterte
Verfahren hergestellt werden. Eine Beschreibung erfolgt am Beispiel
des Außenrings 3d mit
der Form nach 7.
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Wie
in 14 dargestellt, ist die Laufrille 3b1 des
Außenrings 3b mit
zwei Kugelflächen 3b3 und 3b4 mit
einem Krümmungsradius
r gezeichnet, deren Krümmungsmittelpunkte
sich an Punkten 01 und 02 befinden und axial voneinander durch eine
Strecke S abgesetzt sind; sie bildet an zwei Punkten C3 und C4 einen
winkeligen Kontakt mit der Kugel 3c. Der Krümmungsradius
r ist um einen vorherbestimmten Wert (r > d) kleiner als der Radius d der Kugel 3c.
Außerdem weist
die Unterseite der Laufrille 3b1 eine Umfangsnut 3b2 auf.
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Der
Außenring 3b ist
aus einem in 15(a) dargestellten Außenring-Rohstück 13b zu
erhalten, und zwar durch den Arbeitsschritt des Spaltens (15(b)) und den Arbeitsschritt des Drehens (15(c)).
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Das
Außenring-Rohstück 13b wird
so hergestellt, daß der
Längsschnitt
der Laufrille 13b1 mit einer Kugelfläche (deren Krümmungsmittelpunkt
sich am Punkt 0 befindet) gezeichnet wird, mit einem Krümmungsradius
r, der um einen vorherbestimmten Betrag größer ist als der Radius d, und
so, daß die Ausdehnung
in der Breite B' um
einen vorherbestimmten Abstand S (B' – B
= S) größer ist
als die Ausdehnung in der Breite B eines fertig bearbeiteten Gegenstands 3b (15(d)).
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Die
Bearbeitung der Laufrille 13b geht bis zur Feinbearbeitung
(Feinziehschleifen, Superfinieren, Feinstbearbeitung), bevor mit
dem Arbeitsschritt des Spaltens begonnen wird.
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Da
die Laufrille 13b1 des Außenring-Rohstücks nur
als Kugelfläche
vorliegt, kann das Verfahren zur Herstellung von Außenringen
gewöhnlicher Rillenkugellager
für diesen
Arbeitsschritt eingesetzt werden.
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Nach
Vollendung der Feinbearbeitung der Laufrille 13b1 wird
die Umfangsnut 13b2 gebildet, worauf dann der Spaltvorgang
folgt. Außerdem
wird eine V-förmige
Kerbe 13b3 an der Stelle, an der der Spalt vorgesehen ist,
angebracht, d.h. an der axialen Mitte auf dem Außenumfang des Außenring-Rohstücks 13b.
Diese Kerbe 13b3 wird durch Hämmern bzw. Schmieden zur Formgebung
des Rohstückes oder
durch Drehen gebildet.
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Wie
in 15(b) dargestellt, wird bei dieser Ausführungsform übliches
Spalten als Spaltvorgang eingesetzt. Das heißt, ein Brechwerkzeug 7 wird
an die in der breitenmäßigen Mitte
des Außenumfangs des
Außenring-Rohstückes 13b ausgebildete
Kerbe 13b3 angelegt; ein Druck wird auf das Brechwerkzeug 7 in
Pfeilrichtung ausgeübt,
wie in der Figur dargestellt, wodurch in der Unterseite des Rohstückes Risse
gebildet werden und das Außenring-Rohstück 13b entlang
der breitenmäßigen Mitte
gespalten wird.
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Nachdem
der Außenring 13b gespalten
wurde, wird (15(c)) die Oberfläche jedes
Teilstücks gedreht
(oder gefräst),
und zwar um einen Wert (S/2), was dem Abstand S entspricht.
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In
dem Fall, in dem übliches
Spalten eingesetzt wird, ist eine Werkzeugtoleranz zum Spalten nicht
erforderlich, so daß die
Gesamtsumme der Toleranz zum Schneiden dem Abstand S entspricht.
In dem Fall, in dem Schneidspalten als Spaltmittel verwendet wird,
kann der Abstand S abzüglich
der Toleranz zum Schneiden als die Gesamtsumme der Toleranz angesehen
werden.
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Wenn
die beiden Teilstücke,
deren Spaltflächen
in der oben beschriebenen Weise um einen Betrag gedreht wurden,
der dem Abstand S entspricht, zusammengesetzt werden, erhält man einen
einstückigen
Außenring 3b,
wie er in 15(d) dargestellt ist.
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In
der Absicht, einen axialen Vordruck auszuüben, die Axiallast zu tragen
und den Druck der Kontaktflächen
zu vermindern, wird die Laufrille des Lagerrings zur Berührung mit
Kugeln an zwei Punkten oval, sphärisch
oder V-förmig
ausgebildet.
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In
Verbindung mit der Feinbearbeitung einer Laufrille ergibt sich jedoch
folgendes Problem: In dem Fall, in dem die Laufrille eines Lagerringes,
die normalerweise superfiniert bzw. feinstbearbeitet wird, bei einem
Längsschnitt
gewöhnlich
nur eine sphärische
Fläche
hervorbringt, (wie dies bei den Innen- und Außenringen eines Standard-Rillenkugellagers der
Fall ist) kann der gesamte Bereich der Laufrille unter dem Erfordernis
von nur einer Werkzeugbestückung
superfiniert bzw. feinstbearbeitet werden, und zwar durch Schwenken
des Schleifwerkzeugs entlang der Axialkrümmung der Laufrille.
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In
dem Fall, in dem der Längsschnitt
der Laufrille die obengenannte Form aufweist, kann eine derartige
Feinstbearbeitung nicht durchgeführt
werden, wodurch es notwendig wird, auf Feinbearbeitung mit einem
Polierzylinder zurückzugreifen
oder die Laufrille so zu belassen, wie sie geschliffen wurde. Dies
führt dazu,
daß das
Herstellungsverfahren verkompliziert wird, wobei manchmal nicht
die erforderliche Qualität
erzielt werden kann.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
wird vor dem Spalten die Feinbearbeitung der Laufrille 13b1 des
Außenring-Rohstückes abgeschlossen;
deshalb kann die Fein bearbeitung der Laufrille durch dasselbe Verfahren
erfolgen wie bei gewöhnlichen
Rillenkugellagern, wodurch, verglichen mit bekannten Fällen, das
Herstellungsverfahren vereinfacht und die Qualität verbessert werden kann. Außerdem kann
diese Ausführungsform
nicht nur auf die Herstellung des Innen- oder Außenrings einer Einwegkupplung
angewendet werden, sondern auch auf die Herstellung von Lagerringen
mit Spalt im allgemeinen, die eine Laufrille zur Berührung mit
Kugeln an zwei Punkten aufweisen.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Anordnungen
begrenzt; so kann beispielsweise
- (1) die Laufrille
direkt auf dem Innenumfang eines Riemenscheibenkörpers oder dem Außenumfang einer
Wellenbuchse oder der dazupassenden Welle ausgebildet sein,
- (2) andere Ausführungen
(z.B. ohne Säulenbereich)
können
als Käfig
verwendet werden,
- (3) der Käfig
kann in Form eines kompletten Rings ohne Spalt vorliegen (in diesem
Fall wird die erforderliche Ausdehnung und Kontraktion des Durchmessers
durch Ausnützung
der Elastizität
des Materials und der Form-Elastizität des Käfigs erzielt),
und
- (4) der Käfig
kann auf der Laufrille des Innenrings o.ä. befestigt sein (es ist ratsam,
die Umfangsnut in der Laufrille auf der Seite anzuordnen, auf der der
Käfig befestigt
ist.
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Jedoch
ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Anordnung beschränkt, bei
der der Käfig
in der Umfangsnut der Laufrille befestigt ist.
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Darüberhinaus
ist die Einwegkupplung der vorliegenden Erfindung nicht auf einen
Riementriebmechanismus, wie z.B. eine Riemenscheibe für eine Drehstromlichtmaschine,
beschränkt
und kann allgemein für
Mechanismen zur Steuerung der Übertragung
oder Unterbrechung eines Drehmoments in eine Richtung verwendet
werden.