DE19953643A1 - Formschlüssiger Freilauf mit hoher Schaltgenauigkeit - Google Patents

Abstract

Freilauf, aus Umlaufelementen, die mit einer Welle rotatorisch fest verbunden sind, und einem Verzahnungskörper, der mit der anderen Welle verbunden ist, wobei die Umlaufelemente Drehbewegungen um eine Achse, die nicht Drehachse einer der beiden Wellen ist, so ausführen können, dass die auf den Umlaufelementen befindliche Verzahnung mit dem Verzahnungskörper in Eingriff kommen bzw. aus dem Einriff gelöst werden.

Description

Freiläufe lassen sich unterscheiden nach den Kriterien des Formschluß und des Kraft- bzw. Reibschluß.

Kraftschlüssige Freiläufe - wie Klemmkörper- oder Klemmrollenfreiläufe - zeichnen sich durch sehr hohe Schaltgenauigkeit aus, da sie in jeder Stellung verriegeln kön­ nen, weisen jedoch prinzipbedingt den Nachteil auf, sehr hohe Kräfte im Kontakt­ bereich aufzubauen, die um den Faktor 1/my höher sind als die drehmomentfüh­ renden Kräfte und zusätzlich mit sehr geringen Toleranzen gefertigt werden zu müs­ sen, da sonst die erforderlichen Klemmwinkel nicht hinreichend präzise eingehalten werden können.

Formschlüssige Freiläufe wie z. B. Sperrklinkenfreiläufe können nur an den durch die formschlüssige Geometrie vorgegebenen Positionen sperren, sind somit in der Schaltgenauigkeit schlechter als Klemmfreiläufe, bauen jedoch nur Kräfte in der Größenordnung der drehmomentführenden Kräfte auf und können damit einfacher, leichter und preiswerter gefertigt werden. Ein weiterer Nachteil von formschlüssigen Freiläufen liegt in der Geräuschentwicklung, die beim Springen der angefederten Sperrklinken im Überholbetrieb in der jeweiligen Gegenverzahnung entstehen.

Die vorliegende Erfindung kann die Nachteile beider Prinzipien weitestgehend ver­ hindern und die Vorteile verbinden.

Dazu wird eine Mikroverzahnung in einem Hohlrad aufgebracht, das z. B. mit der Ab­ triebswelle fest verbunden ist. Durch das kleine Verzahnungsmodul liegen zwischen je zwei benachbarten Zahnelementen nur sehr kleine Winkelabstände, so dass eine vergleichsweise gute Schaltgenauigkeit erzielt werden kann. Bei 180 Zähnen auf dem Umfang wäre die Schaltgenauigkeit z. B. 2 Grad.

In diese Mikroverzahnung können nun Umlaufelemente, die z. B. mit der Antriebswelle verbunden sind eingreifen, wobei jedes dieser Umlaufelemente im Kontaktbereich zum Hohlrad mehrere Zähne aufweist, so dass die Umfangslasten zur Drehmoment­ übertragung auf mehrere Zähne verteilt werden. Somit greift nicht nur eine Klinke mit einer einzigen Kontaktzone in je einen Zahn, sondern die Kontaktzone eines jeden Umlaufelementes greift in mehrere Zähne des Hohlrades ein. Somit wird die zulässi­ ge Belastung großer Klinken in einem großen Zahnmodul erhalten, gleichzeitig aber die hohe Schaltgenauigkeit eines sehr kleinen Zahnmoduls erzielt.

Die Umlaufelemente 20 sind so ausgeführt, dass sie eine Dreh- oder Gleitbewegung ausführen können, durch die sie in den Eingriff zur Verzahnung 11 des Hohlrades 10 gebracht werden bzw. aus der Verzahnung 11 gehoben werden können. Je nach Richtung des Drehmomentes greifen die Umlaufelemente 20 in die Gegenverzah­ nung ein oder sind aus ihr gelöst. Der Schaltvorgang richtet sich also nicht oder nicht nur nach der evtl. asymmetrischen Geometrie der Verzahnung, sondern wird (je nach Ausführung zusätzlich oder ausschließlich) durch die Bewegung der Umlauf­ elemente ausgelöst. Auf diese Weise können Überholgeräusche durch Zahnkontakt vermieden oder reduziert werden.

In einer bevorzugten Ausführung sind die Umlaufelemente durch eine Anfederung in einer Position so gehalten, dass bei Drehmomentumkehr jeweils eine Bewegung in die andere Position erfolgt.

In einer anderen Ausführung sind die Umlaufelemente 20 über einen Übertragungs­ stift 21 mit der Antriebswelle drehmomentführend verbunden und werden in einer Ringscheibe 12 mit einem Führungsstift 22 so geführt, dass die Umfangskräfte aus dem Übertragungsstift 21 eine Drehbewegung um den Führungsstift 22 herbeifüh­ ren, mit der die Umlaufelemente aus der Verzahnung 11 mit dem Hohlrad 10 ge­ hoben werden. Beim Schaltvorgang wechselt die Kraftrichtung des Übertragungsstif­ tes 21 und die Umlaufelemente 20 rotieren um den Führungsstift 22 bis sie in voll­ ständigem Eingriff mit dem Hohlrad 10 anliegen und eine weitere Rotation somit nicht mehr möglich ist. Die Verzahnung 11 ist asymmetrisch vorzugsweise so ausge­ führt, dass auch bei einer Störung der Drehbewegung der Umlaufelemente eine Ver­ riegelung nur in Schaltrichtung erfolgt und in Freilaufrichtung die Zahnflanken aus dem Eingriff zurück gedrückt werden.

In anderen Ausführungen sind die Umlaufelemente innenverzahnt und das Hohlrad dann entsprechend als Zahnrad ausgeführt oder auch An- und Abtrieb vertauscht, wobei die Schaltvorgänge dann analog ablaufen.

In einer besonderen Variante sind die Übertragungsstifte in einer Scheibe 40 mit ra­ dialen Schlitzen 41 oder in Koppeln oder anderen Übertragungselementen so ge­ führt, dass An- und Abtrieb des Freilaufes in exzentrische Positionen gebracht werden können. Die Ringscheibe 12 ist dann immer konzentrisch zum Hohl- bzw. Zahnrad, so dass die Umlaufelemente 20 immer auf einem Umfangsbogen laufen, der konzen­ trisch zum Zahn- bzw. Hohlrad 10 bleibt. Die Übertragungsstifte 21 gleiten dann in den radialen Schlitzen 41 auf der Scheibe 40 bei jeder Umdrehung, bzw. die Kop­ peln rotieren um ihre Drehachsen, in exzentrischer Position nehmen dann die Um­ laufelemente 20 zyklisch variierende Positionen auf dem Umfang der Ringscheibe 12 und unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten zum Hohl- bzw. Zahnrad ein. Beim Wechsel des Vorzeichens der Relativgeschwindigkeit tritt in diesem Fall ein Schalt­ vorgang ein, der je ein Umlaufelement in Eingriff mit dem Hohlrad bringt. Auf diese Weise arbeitet der Freilauf als stufenloses Getriebe, wobei die Exzentrizität zwischen Antriebs- und Abtriebswelle ein Maß für die gewählte Übersetzung darstellt.

Beschreibung der Skizzen

Fig. 1 zeigt das Hohlrad 10 mit der Verzahnung 11 und der Nut in der Ringscheibe 12 und zwölf Umlaufelementen 20 bzw. 30. Die Führungsstifte 22 können in der Nut glei­ ten und erzeugen eine Rotation der Umlaufelemente 20 bzw. 30, je nach Richtung des Drehmomentes, das an den Übertragungsstiften 21 anliegt und das durch Boh­ rungen in der nicht dargestellten Scheibe des Antriebes auf die Stifte 21 abgegeben wird.

Das Umlaufelement 30 ist in einer entriegelten Lage dargestellt, alle übrigen Ele­ mente sind im Eingriff mit der Verzahnung gezeichnet. Um im Überholbetrieb die Rotation des Umlaufelementes auf das Maß zu begrenzen, das erforderlich ist, um einen Kontakt in der Verzahnung zu vermeiden, liegt die Überholkontur 23 im Über­ holbetrieb in Kontakt mir der Nut in der Ringscheibe 12.

Unterstützt werden kann die Mechanik des Zahneingriffes durch nicht dargestellte Federn, mit denen die Umlaufelemente 20 in jeweils eine Rotationsrichtung um den Führungsstift 22 gedreht werden.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung der Erfindung als stufenloses Getriebe, mit dem Hohlrad 10 und nur einem Umlaufelement 20, wobei der Übertragungsstift 21 im Eingriff mit einer der 9 Radialnuten 41 der Antriebsscheibe 40 in exzentrischer Position steht. Die übrigen acht Umlaufelemente sind nicht dargestellt.

Claims (11)

1. Formschlüssige Freilaufkupplung dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohl- oder Zahnrad 10 einer Welle in Kupplungsrichtung in Eingriff gebracht wird mit Umlaufelementen 20, die mit der anderen Welle verbunden sind, und dass jedes dieser Umlaufelemente 20 mit mehr als einem Zahn des Zahnra­ des 10 in formschlüssige Verbindung gebracht wird.

2. Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Um­ laufelemente 20 durch die drehmomentführende Umfangskraft am Übertra­ gungsstift 21 eine Dreh- oder Gleitbewegung ausführen, und so je nach Last­ richtung in Eingriff mit dem Zahnrad 10 gebracht oder aus dem Eingriff mit dem Zahnrad 10 gelöst werden.

3. Freilaufkupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufelemente 20 in einer Füh­ rungsnut 12 mit den Führungsstiften 22 und mit der Führungskontur 23 so ge­ führt werden, dass der Rotationswinkel begrenzt wird auf das erforderliche Maß, mit dem eine sichere Lösung aus der Verzahnung im Überholbetrieb gewährleistet ist, eine weitere zusätzliche Drehung jedoch vermieden wird.

4. Freilaufkupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnrad mindestens 180, vorzugs­ weise mindestens 100 Zähne und jedes der Umlaufelemente mindestens 8 vorzugsweise mindestens 3 Zähne aufweist.

5. Freilaufkupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegung des Übertragungsstiftes, die erforderlich ist, um ein Umlaufelement aus der Position im vollen Eingriff vollständig aus der Verzahnung zu lösen, eine relative Drehung zwischen den beiden Wellen hervorruft, die nicht grösser ist als der Winkel, der sich aus der Teilung des Zahnrades 10 ergibt und die Schaltgenauigkeit des Freilaufes so­ mit nur von der Teilung der Verzahnung abhängt.

6. Freilaufkupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufelemente 20 in einer der bei­ den Rotationslagen um den Führungsstift 22 durch Anfederungen gehalten werden.

7. Freilaufkupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungsstifte 21 so mit der Welle verbunden sind, dass exzentrische Lagen zwischen An- und Abtriebswelle möglich sind und somit der Freilauf als stufenloses Getriebe arbeitet.

8. Freilaufkupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzahnung asymmetrisch ausge­ führt ist, so dass auch bei einem fehlerhaften Eingriff der Verzahnung im Ü­ berholbetrieb z. B. durch Coriolisbeschleunigungen an den Umlaufelementen 20 oder durch instationäre Betriebszustände keine Drehmomente in die falsche Richtung übertragen werden sondern dass die Umlaufelemente in die­ sem Fall aus der Verzahnung gelöst werden.

9. Freilaufkupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegung der Zahngeometrie, der Abmessungen der Umlaufelemente und der Anfederung falls vorhanden so erfolgt, dass im Überholbetrieb kein Kontakt der Verzahnung erfolgt und der Freilauf somit geräuscharm arbeitet.

10. Freilaufkupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlaufelemente so ausgeführt sind, dass sie sich elastisch verformen und so den Kupplungsstoß beim Eingriff ab­ federn können.

11. Freilaufkupplung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, dass die drehmomentführenden Kräfte an die Umlaufelemente über die Übertragungsstifte zweischnittig eingebracht wer­ den.