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Im Bereich der industriellen Antriebstechnik haben sich mechanische Überlastkupplungen als zuverlässige Maschinenelemente zur Vermeidung von Schäden durch überhöhte Drehmomente bewährt.
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Insbesondere die Bauweise mit kraftbeaufschlagten formschlüssigen Übertragungselementen zeichnet sich dabei vor allem durch eine hohe Präzision hinsichtlich des Auslösedrehmoments aus.
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Abhängig von den technischen Erfordernissen sind bei kraftbeaufschlagten formschlüssig arbeitenden mechanischen Überlastkupplungen unterschiedliche funktionale Konzepte anzutreffen:
- - Automatisch einrastende Überlastkupplungen in durchrastender Ausführung oder als Synchron-Ausführung mit winkelgetreuer Wiedereinrastung.
- - Freischalt-Überlastkupplungen mit Wiedereinrastung durch Drehrichtungsumkehr.
- - Freischalt-Überlastkupplungen mit Wiedereinrastung durch äußere Kraftbeaufschlagung.
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Gegenstand der hier vorgestellten Erfindung ist eine technische Verbesserung für das letztgenannte Konzept der Freischalt-Überlastkupplungen mit Wiedereinrastung durch äußere Kraftbeaufschlagung.
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Aus dem Stand der Technik sind Freischalt-Überlastkupplungen mit Wiedereinrastung durch äußere Kraftbeaufschlagung bekannt, bei denen Freischaltelemente mit zugeordneten Druckstücken in eine einfache Konstruktion aus zwei zueinander drehbaren Flanschen integriert werden. Derartige Freischaltelemente bzw. derartige Freischalt-Überlastkupplungen mit Wiedereinrastung durch äußere Kraftbeaufschlagung, im Folgenden als Freischaltkupplungen bezeichnet, sind in
EP0156993B1 der Anmelderin beschrieben.
Freischaltkupplungen nach der Lehre des
EP0156993B1 haben den Vorteil, dass sich die dabei verwendeten Freischaltelemente gut mit bestehenden Konstruktionen kombinieren lassen.
Nachteilig daran sind die hohen Kosten und der meist große Bauraumbedarf durch die funktionale Aufteilung der Kupplung in zwei Bereiche: Einen ersten Bereich, der aus den zueinander gelagerten Flanschen besteht und einen zweiten Bereich bestehend aus den auf einem Teilkreis angeordneten vorzugsweise angeschraubten Freischaltelementen und Druckstücken. Außerdem sind Freischaltkupplungen auf Basis von Freischaltelementen nicht verdrehspielfrei ausführbar.
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Weiterhin sind aus dem Stand der Technik Freischaltkupplungen nach der Lehre des
US5092441A bekannt.
Bei dieser Bauweise von Freischaltkupplungen werden in axialen Bohrungen der Nabe geführte Mitnehmerkugeln über einen Kraftbeaufschlagungs-Mechanismus in kegelförmige Ausnehmungen eines Druckflansches gepresst und übertragen so ein Drehmoment zwischen Nabe und Druckflansch.
Der Kraftbeaufschlagungs-Mechanismus ist so aufgebaut, dass er beim Ausrasten der Freischaltkupplung aufgrund eines überhöhten Drehmoments die Kraftbeaufschlagung der Mitnehmerkugeln aufhebt und so einen freien Auslauf zwischen Nabe und Druckflansch ermöglicht.
Zum Wiedereinrasten der Freischaltkupplung muss ein Schaltteil des Kraftbeaufschlagungs-Mechanismus axial zum Druckflansch hin bewegt werden, wodurch die Kraftbeaufschlagung der Mitnehmerkugeln und deren Eingriff in die Ausnehmungen des Druckflansches wieder hergestellt wird und wonach die Freischaltkupplung wieder betriebsbereit ist.
Durch die Lehre des Patents wird eine kompakt bauende und kostengünstig herstellbare Freischaltkupplung offenbart.
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Nachteilig an dieser Freischaltkupplung nach dem Stand der Technik sind allerdings die mangelnde Verdrehspielfreiheit und der fehlende innere Rückhaltemechanismus für die Drehmoment übertragenden Mitnehmerkugeln, so dass diese beim Auslauf der ausgerasteten Kupplung vor allem bei vertikalem Einbau der Freischaltkupplung mit unten liegendem Druckflansch in die Ausnehmungen des Druckflansches eintauchen und dadurch Verschleiß und Geräusche verursachen. Außerdem fehlen an der Freischaltkupplung nach dem Stand der Technik eine Abdichtung gegenüber Umgebungseinflüssen sowie eine ausreichende Sicherung der Einstellmutter gegen unbeabsichtigte Verdrehung.
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Demnach liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kompakt bauende und verdrehspielfreie Freischaltkupplung zu schaffen, die über einen Schutz gegenüber äußeren Einflüssen sowie einen inneren Rückhaltemechanismus für die Mitnehmerkugeln verfügt und deren Einstellmutter gegen unbeabsichtigte Verdrehung gesichert ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, die Freischaltkupplung aus einer Nabe mit einem darauf konzentrisch angeordneten und drehbar gelagerten Druckflansch aufzubauen.
Die Nabe verfügt auf einem Teilkreis über radial gerichtete prismenförmige Nabenausnehmungen mit dreieckigem Querschnitt, in denen axial verschiebbar Mitnehmerkugeln angeordnet sind.
Den Nabenausnehmungen steht auf einem Teilkreis eine gleiche Zahl von axial gerichteten ebenfalls prismenförmigen Druckflanschausnehmungen mit dreieckigem Querschnitt gegenüber, wobei jeder Nabenausnehmung mit der zugehörigen Druckflanschausnehmung eine Mitnehmerkugel zugeordnet ist. Die Mitnehmerkugeln werden durch ein Schaltteil gleichermaßen in die Nabenausnehmungen und die Druckflanschausnehmungen gepresst und übertragen so spielfrei ein durch die Vorspannung eines Federelements definiertes Drehmoment.
Die Kontaktfläche zwischen Schaltteil und Mitnehmerkugeln ist dabei so gestaltet, dass die Mitnehmerkugeln mit einer ersten größeren Kraftkomponente in die Nabenausnehmungen und mit einer zweiten kleineren Kraftkomponente in die Druckflanschausnehmungen gepresst werden. Bei Überschreiten eines durch die Kraft des Federelements definierten Drehmoments verlassen die Mitnehmerkugeln die axial gerichteten Druckflanschausnehmungen und bewegen sich in den radial gerichteten Nabenausnehmungen zusammen mit dem Schaltteil axial in Richtung zum Federelement.
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Das Schaltteil ist hierbei Teil eines Kraftbeaufschlagungs-Mechanismus, der außerdem noch aus einer Einstellmutter, einem oder mehreren Federelementen, einem Druckring, einer auf der Nabe oder einem separaten Nabenring angeordneten Schaltschräge und Freischaltkugeln oder Freischaltsegmenten besteht.
Der Kraftbeaufschlagungs-Mechanismus ist so gestaltet, dass ein Teil der Kraft der Federelemente über das Schaltteil die Übertragungskugeln in den Ausnehmungen von Nabe und Druckflansch im Eingriff hält und somit die Drehmomentübertragung sicherstellt.
Nach dem Ausrasten der Freischaltkupplung aufgrund eines überhöhten Drehmoments stellt der Kraftbeaufschlagungs-Mechanismus sicher, dass von den Federelementen keine Kraft mehr auf die Übertragungskugeln wirkt und dass Nabe und Druckflansch frei gegeneinander rotieren können. Durch eine vorteilhafte Gestaltung der Druckscheibe mit einer Rückhaltefläche, die die Übertragungskugeln radial von außen umgreift, wird sichergestellt, dass die Übertragungskugeln bei ausgerasteter Freischaltkupplung nicht mehr in Kontakt mit dem Druckflansch kommen. Zum Wiedereinrasten wird bei stillstehendem Antrieb auf das Schaltteil eine axial zum Druckflansch hin gerichtete Kraft aufgebracht, wodurch die Übertragungskugeln wieder in Eingriff mit den Druckflanschausnehmungen gelangen und wodurch die Kraft der Federelemente über das Schaltteil die Übertragungskugeln wieder im Eingriff hält.
Weiterhin wird vorgeschlagen, zwischen Schaltteil und Druckflansch und/oder zwischen Schaltteil und Druckring jeweils eine ringförmige Dichtung anzuordnen, die einen Austritt des im Kupplungsinneren befindlichen Schmiermittels an die Umgebung verhindert und die den Eintritt von äußeren Medien oder Verschmutzungen in das Kupplungsinnere unterbindet.
Dazu können die Dichtungen als berührungslose Dichtungen oder als berührende Dichtungen mit leichter Vorspannung gegenüber den abzudichtenden Teilen vorgesehen werden.
Letztlich verfügt die erfindungsgemäße Freischaltkupplung über eine Einstellmutter, mit der durch Veränderung der Vorspannung der Federelemente das Ausrast-Drehmoment der Freischaltkupplung eingestellt werden kann. Zur formschlüssigen Sicherung der Einstellmutter gegen unbeabsichtigtes Verdrehen verfügt die Freischaltkupplung über ein mit der Nabe drehfest im Eingriff stehendes Sicherungsblech, das über eine Sicherungsschraube mit der Einstellmutter verschraubt ist.
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Je nach Anwendungsfall kann die Freischaltkupplung mit einer Durchrast-Teilung mit direkt benachbarten Druckflanschausnehmungen, vorzugsweise mit einem Abstandswinkel von 15 Grad oder mit einer Synchron-Teilung ausgeführt werden, bei der eine Wiedereinrastung nur alle 360
Grad möglich ist. Weiterhin sind Synchron-Teilungen mit anderen Wiedereinrastwinkeln zwischen 15 und 360 Grad möglich.
Bei Synchronteilungen müssen die Nabe und der Druckflansch vor dem Wiedereinrasten wieder in die Synchronposition gedreht werden, bevor die Freischaltkupplung durch axialen Druck auf das Schaltteil wieder in Eingriff gebracht wird. Um das Auffinden der Synchronposition zwischen Nabe und Druckflansch zu erleichtern, können am Außenumfang von Druckflansch und formschlüssig gesicherter Einstellmutter gut sichtbare Indexbohrungen oder auf andere Weise gestaltete Markierungen angebracht sein.
Zur Anpassung der Freischaltkupplung an bestimmte Antriebskonfigurationen kann sie als Flanschausführung konzipiert werden, wobei der Druckflansch dann beispielsweise mit einem Zahn- oder Kettenrad verbunden wird.
Zur Verbindung zweier konzentrischer Wellen kann die Freischaltkupplung zum Ausgleich fertigungsbedingter Fluchtungsfehler der Wellen mit einer geeigneten Wellenkupplung kombiniert werden.
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Durch den hier kurz beschriebenen Aufbau wird eine Freischaltkupplung bereitgestellt, die bei kompakter Bauweise hohe Drehmomente verdrehspielfrei überträgt, die nach dem Ausrasten durch eine Rückhaltefläche des Schaltteils die Übertragungskugeln sicher vom Druckflansch trennt, die durch formschlüssige Sicherung der Einstellmutter keine unbeabsichtigte Verstellung zulässt und die an verschiedenste Antriebe anpassbar ist. Weiterhin ist die Freischaltkupplung durch Dichtringe vor dem Austritt von Schmiermittel und vor dem Eintritt äußerer Medien oder Verschmutzungen geschützt und ist sehr kostengünstig herstellbar.
Weitere Besonderheiten und vorteilhafte Details der erfindungsgemäßen Freischaltkupplung ergeben sich aus den Beschreibungen der nachfolgend gezeigten bevorzugten Ausführungsformen.
Dabei sind hinsichtlich ihrer Funktion übereinstimmende Komponenten in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es versteht sich von selbst, dass die Erfindung nicht auf die Merkmalskombinationen der Ansprüche oder der Beschreibung beschränkt ist. Für den Fachmann ergeben sich aus der Aufgabenstellung weitere sinnvolle Kombinationen von Merkmalen aus den Ansprüchen und/oder Merkmalen aus der Beschreibung und/oder Merkmalen aus den gezeigten Figuren.
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Figurenliste
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- 1 die Explosionsdarstellung einer ersten erfindungsgemäßen Freischaltkupplung als Flanschausführung
- 2 einen Längsschnitt durch die erste erfindungsgemäße Freischaltkupplung mit einem Detail A im eingerasteten Zustand
- 3 einen Längsschnitt durch die erste erfindungsgemäße Freischaltkupplung mit einem Detail B im ausgerasteten Zustand
- 4 Vorderansichten von zwei mit Mitnehmerkugeln bestückten Druckflanschen: Ein Druckflansch mit Durchrast-Teilung und ein Druckflansch mit Synchron-Teilung mit entsprechenden Projektionen C und D
- 5 einen Längsschnitt durch eine zweite erfindungsgemäße Freischaltkupplung mit langer Nabe in zweiteiliger Ausführung mit einem Detail E im eingerasteten Zustand
- 6 einen Längsschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Freischaltkupplung mit Konusbuchse im eingerasteten Zustand, kombiniert mit einer ersten Wellenkupplung
- 7 einen Längsschnitt durch eine dritte erfindungsgemäße Freischaltkupplung mit Konusbuchse im eingerasteten Zustand, kombiniert mit einer zweiten Wellenkupplung
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Aus der Explosionsdarstellung in 1 sowie den Längsschnitten in 2 und 3 mit Detail A und Detail B ist der grundlegende Aufbau einer ersten erfindungsgemäßen Freischaltkupplung F1 ersichtlich.
Zentrales Bauteil der Freischaltkupplung F1 ist eine Nabe 1, die über eine Nabenbohrung 1.1 mit einer nicht dargestellten Antriebswelle verbindbar ist. Weiterhin verfügt die Nabe 1 über eine Lagerpassung 1.6, auf der ein Lagerelement 11 angeordnet und durch einen in einer Sicherungsringnut 1.5 der Nabe 1 liegenden Sicherungsring 12 axial festgelegt ist. Über das Lagerelement 11 ist ein Druckflansch 2 mit axial gerichteten prismenförmigen Druckflanschausnehmungen 2.3 mit dreieckigem Querschnitt zur Nabe 1 um eine Rotationsachse R drehbar gelagert. Die Nabe 1 verfügt über radial gerichtete ebenfalls prismenförmige Nabenausnehmungen 1.7 mit dreieckigem Querschnitt, die den Druckflanschausnehmungen 2.3 gegenüberstehen und die mit Mitnehmerkugeln 10 bestückt sind, die in den Nabenausnehmungen 1.7 axial in die Richtungen D1 oder D2 verschiebbar gelagert sind. Zur spielfreien Drehmomentübertragung zwischen der Nabe 1 und dem Druckflansch 2 werden die Mitnehmerkugeln 10 durch ein Schaltteil 3 gleichermaßen in die Druckflanschausnehmungen 2.3 und die Nabenausnehmungen 1.7 gedrückt. Dabei wird die in Einrastrichtung D2 wirkende Kraft der Federelemente 5 über einen Druckring 4, Freischaltkugeln 8 oder Freischaltsegmente 9 und eine Schaltschräge 1.4 auf das Schaltteil 3 übertragen und über eine äußere Druckfläche 3.2 in eine axial und eine radial auf die Mitnehmerkugeln 10 wirkende Komponente aufgeteilt. Die dem Betrag nach größere radial zur Nabe 1 hin gerichtete Komponente hält die Mitnehmerkugeln 10 in den Nabenausnehmungen 1.7 und die dem Betrag nach kleinere axiale Komponente presst die Mitnehmerkugeln 10 in Einrastrichtung D2 in die Druckflanschausnehmungen 2.3.
Die vorgestellte Freischaltkupplung F1 kann wie beschrieben alternativ mit kostengünstigen, aber höher belasteten Freischaltkugeln 8 oder etwas aufwändigeren, aber niedriger belasteten Freischaltsegmenten 9 mit höherer Lebensdauer bestückt werden.
Die axiale Vorspannung der Federelemente 5 und damit das von der Freischaltkupplung F1 übertragbare Drehmoment kann durch Verdrehen einer Einstellmutter 6 verändert werden, die mit ihrem Einstellmuttergewinde 6.1 mit einem Nabengewinde 1.3 korrespondiert. Zum Angriff mit einem Hakenschlüssel ist die Einstellmutter 6 an ihrem Umfang mit mehreren Mitnehmerbohrungen 6.4 versehen. Alternativ können die Mitnehmerbohrungen 6.4 auch auf einer Planfläche der Einstellmutter 6 liegen.
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Für die formschlüssige Sicherung der Einstellmutter 6 ist ein Sicherungsblech 7 vorgesehen, das über Sicherungsnasen 7.3 formschlüssig mit Sicherungsnuten 1.2 der Nabe 1 im Eingriff steht und das auf einem Teilkreis in gleichen Winkelabständen über Sicherungsbohrungen 7.2 verfügt.
Um die Einstellmutter 6 formschlüssig zu sichern, werden nach erfolgter Drehmomenteinstellung Einstellmuttermarkierungen 6.2 mit Sicherungsblechmarkierungen 7.1 in Fluchtung gebracht und mindestens eine Sicherungsschraube 13 wird durch eine der Sicherungsbohrungen 7.2 des Sicherungsbleches 7 hindurch in ein Sicherungsgewinde 6.3 der Einstellmutter 6 eingeschraubt. In den Ausführungsbeispielen sind jeweils zwei Sicherungsschrauben 13 dargestellt.
Zur Abdichtung der Freischaltkupplung F1 sind erste Dichtelemente zwischen Druckflansch 2 und Schaltteil 3 sowie zweite Dichtelemente zwischen Schaltteil 3 und Druckring 4 vorgesehen. Dazu verfügt der Druckflansch 2 an seinem Außenumfang über eine umlaufende Nut, in die als erstes Dichtelement eine Druckflanschdichtung 2.1 eingelegt ist, die gegen eine radial nach innen gerichtete Dichtfläche an einem umlaufenden Vorspruch des Schaltteiles 3 abdichtet. Dabei ist die axiale Überdeckung zwischen dem umlaufenden Vorsprung des Schaltteiles 3 und dem Außenumfang des Druckflansches 2 so gewählt, dass auch nach einer Axialbewegung des Schaltteiles 3 in Ausrastrichtung D1 noch eine ausreichende Dichtwirkung gegeben ist. Als zweites Dichtelement zwischen Schaltteil 3 und Druckring 4 ist eine Druckringdichtung 4.1 vorgesehen, die in eine umlaufende Nut des Druckringes 4 eingelegt ist und die gegen eine Innenfläche des Schaltteiles 3 abdichtet.
Im Normalbetrieb der Freischaltkupplung F1 erfolgt die Übertragung des Drehmoments wie in 2 dargestellt ausgehend von der Nabenbohrung 1.1 über die Nabenausnehmungen 1.7 auf die Mitnehmerkugeln 10 und weiter über die Druckflanschausnehmungen 2.3 auf den Druckflansch 2 und über Druckflanschgewinde 2.2 auf ein nicht dargestelltes Abtriebselement, beispielswiese ein Zahnrad.
Der eingerastete Zustand der Freischaltkupplung im Normalbetrieb ist aus 2 und insbesondere aus Detail A ersichtlich. Demnach wirkt die Kraft der Federelemente 5 auf den Druckring 4 in die Einrastrichtung D2 und spannt dadurch die Freischaltkugeln 8 oder alternativ die Freischaltsegmente 9 zwischen einem Druckringkegel 4.2 und der Nabenschräge 1.4 ein.
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Dadurch wirkt auf die Freischaltkugeln 8 oder auf die Freischaltsegmente 9 eine radial nach außen gerichtete Kraft, die sich an einer inneren Druckfläche 3.4 des Schaltteiles 3 abstützt und die das Schaltteil 3 und die Mitnehmerkugeln 10 mit einer Kraft in Richtung der Einrastrichtung D2 beaufschlagt.
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Die Äußere Druckfläche 3.2 des Schaltteiles 3 verteilt die Kraft auf die Mitnehmerkugeln 10 in eine dem Betrag nach größere radiale Komponente in Richtung zu den Nabenausnehmungen 1.7 und in eine dem Betrag nach kleinere axiale Komponente in Richtung zu den Druckflanschausnehmungen 2.3.
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Übersteigt das zwischen Nabe 1 und Druckflansch 2 wirksame Drehmoment den an der Freischaltkupplung F1 eingestellten Wert, wird die Freischaltkupplung F1 in den ausgerasteten Zustand überführt, wie dies in 3 und insbesondere in Detail B dargestellt ist.
Dabei verdreht sich zunächst der Druckflansch 2 um die Rotationsachse R gegenüber der Nabe 1 und die Mitnehmerkugeln 10 werden aus den prismenförmigen Druckflanschausnehmungen 2.3 heraus zusammen mit dem Schaltteil 3 in die Ausrastrichtung D1 bewegt. Die Mitnehmerkugeln 10 bleiben dabei durch die spezielle Kraftverteilung über die äußere Druckfläche 3.2 des Schaltteiles 3 stets in Kontakt zu den Nabenausnehmungen 1.7 und werden in diesen axial verschoben.
Die Axialbewegung des Schaltteiles 3 in die Ausrastrichtung D1 kann mit einem berührungslosen oder berührenden Schalter abgefragt und als Signal an eine Steuerung des Antriebs ausgegeben werden, beispielsweise zur Stillsetzung eines Antriebsmotors. Hierfür ist das Schaltteil 3 mit Sensorkanten 3.1 versehen, die eine einfache Abtastung der Axialbewegung ermöglichen.
Während der beschriebenen Axialbewegung des Schaltteiles 3 werden die Freischaltkugeln 8 oder Freischaltsegmente 9 über die innere Druckfläche 3.4 radial nach innen zur Rotationsachse R hin bewegt, gleiten dann über eine Schaltkante 3.6 hinweg und kommen bei vollständig ausgerasteter Freischaltkupplung F1 auf einer Freischaltfläche 3.5 zu liegen.
In dieser Stellung sind die Freischaltkugeln 8 oder Freischaltsegmente 9 weiterhin zwischen dem Druckringkegel 4.2 und der Schaltschräge 1.4 eingespannt und üben eine radial von der Rotationsachse R weg nach außen gerichtete Kraft gegen die Freischaltfläche 3.5 aus, die keine axiale Kraftkomponente mehr auf das Schaltteil 3 bewirkt.
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Die Freischaltfläche 3.5 kann leicht kegelig mit einem zum Druckflansch 2 hin größer werdenden Durchmesser ausgeführt sein, um die Bewegung des Schaltteiles 3 in die Ausrastrichtung D1 zu begünstigen.
Das Schaltteil 3 verfügt über eine umlaufende Rückhaltefläche 3.3, die alle Mitnehmerkugeln 10 umgreift und diese beim Auslaufen der Freischaltkupplung F1 auf Distanz zu den Druckflanschausnehmungen 2.3 hält und somit Verschleiß und Geräuschentwicklung reduziert.
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Bei der Wiederinbetriebnahme der Freischaltkupplung F1 wird diese in den Zustand zurückversetzt wie er in der eingangs beschriebenen 2 dargestellt ist.
Dazu wird bei Kupplungen mit einer Durchrast-Teilung, wie diese in 4 dargestellt ist, bei stillstehendem Antrieb auf das Schaltteil 3 eine axiale Kraft in Einrastrichtung D2 ausgeübt, wodurch sich das Schaltteil 3 zusammen mit den Mitnehmerkugeln 10 zum Druckflansch bewegt und wo die Mitnehmerkugeln 10 wieder mit den Druckflanschausnehmungen 2.3 in Eingriff gelangen.
Bei der beschriebenen Verschiebung des Schaltteiles 3 bewegen sich die Freischaltkugeln 8 oder Freischaltsegmente 9 von der Freischaltfläche 3.5 über die Schaltkante 3.6 wieder auf die kegelförmige innere Druckfläche 3.4, wo sie wieder eine Kraft in Einrastrichtung D2 auf das Schaltteil 3 ausüben.
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Zur Wiederinbetriebnahme einer Freischaltkupplung F1, bei der der Druckflansch 2 über eine Synchron-Teilung verfügt, wie diese in 4 dargestellt ist, muss folgendermaßen vorgegangen werden:
- Weil bei der 360 Grad Synchron-Teilung gemäß 4 eine Wiederinbetriebnahme der Freischaltkupplung nur in genau einer Winkellage zwischen Nabe 1 und Druckflansch 2 möglich ist, müssen zunächst bei stillstehendem Antrieb die Nabe 1 und der Druckflansch 2 in die passende Winkellage zueinander verdreht werden. Dies kann durch gut sichtbare Markierungen am Außenumfang von Druckflansch 2 und Einstellmutter 6 erleichtert werden, die hierzu in Fluchtung zu bringen sind.
- Erst danach wird auf das Schaltteil 3 eine axiale Kraft in Einrastrichtung D2 ausgeübt, wodurch sich das Schaltteil 3 zusammen mit den Mitnehmerkugeln 10 zum Druckflansch 2 bewegt und wo die Mitnehmerkugeln 10 wieder mit den Druckflanschausnehmungen 2.3 in Eingriff gelangen.
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Auch bei der hier beschriebenen Verschiebung des Schaltteiles 3 bewegen sich die Freischaltkugeln 8 oder Freischaltsegmente 9 von der Freischaltfläche 3.5 über die Schaltkante 3.6 wieder auf die kegelförmige innere Druckfläche 3.4, wo sie wieder eine Kraft in Einrastrichtung D2 auf das Schaltteil 3 ausüben.
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In 4 sind zwei mögliche Gestaltungsformen des Druckflansches 2 in einer Vorderansicht dargestellt, wobei die Druckflanschausnehmungen 2.3 zur besseren Sichtbarkeit komplett mit Mitnehmerkugeln 10 bestückt sind. Bei der Durchrast-Teilung verfügt der Druckflansch 2 auf einem Teilkreis TK über 24 Druckflanschausnehmungen 2.3, die voneinander jeweils 15 Grad beabstandet sind.
Die Synchron-Teilung basiert ebenfalls auf einer Teilung, die aus 24 Winkelpositionen besteht, die voneinander auch jeweils 15 Grad beanstandet sind. Allerdings sind auf dem Teilkreis TK lediglich 18 der Winkelpositionen mit Druckflanschausnehmungen 2.3 bzw. mit Mitnehmerkugeln 10 besetzt. An den Zwischenpositionen bei 0 Grad, 90 Grad, 105 Grad, 210 Grad, 255 Grad und 330 Grad befinden sich statt der Ausnehmungen lediglich Druckflanschplateaus 2.4 ohne Druckflanschausnehmungen 2.3.
Beim Ausrasten der Freischaltkupplung F1 mit der dargestellten Synchron-Teilung werden bei der Verdrehung zwischen Nabe 1 und Druckflansch 2 die 18 Mitnehmerkugeln 10 in Ausrastrichtung D1 aus den Druckflanschausnehmungen 2.3 gedrückt, verbleiben jedoch in ihrer ursprünglichen Winkellage in den Nabenausnehmungen 1.7, in denen sie nur axial verschoben werden.
Bei weiterer Verdrehung zwischen Nabe 1 und Druckflansch 2 bewegen sich nacheinander alle Mitnehmerkugeln 10 über die Druckflanschplateaus 2.4 hinweg, wobei während einer Drehung von 360 Grad immer mindestens 3 der Mitnehmerkugeln über den Plateaus 2.4 liegen und wobei der größte Winkelabstand zwischen 2 der mindestens 3 Mitnehmerkugeln 10 immer kleiner als 180 Grad ist. Dadurch kann eine unkontrollierte Kippbewegung des Druckflansches 2 beim Durchlaufen der Verdrehung von 360 Grad zwischen Nabe 1 und Druckflansch 2 sicher ausgeschlossen werden.
Aus der Projektion C und der Projektion D in 4 ist der Querschnitt der prismenförmigen Druckflanschausnehmungen 2.3 ersichtlich, wobei die Druckflanschausnehmungen 2.3 aus zwei gegeneinander geneigten Flächen bestehen, die miteinander einen Senkwinkel S einschließen.
In der Praxis haben sich hierbei Senkwinkel S in einem Bereich zwischen 60 Grad und 120 Grad bewährt.
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Zur Erzielung unterschiedlicher Ausrastdrehmomente in beide Drehrichtungen der Freischaltkupplung können die gegeneinander geneigten Flächen der Druckflanschausnehmungen 2.3 mit unterschiedlichen Neigungswinkeln ausgeführt werden.
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5 zeigt eine zweite Freischaltkupplung F2 im eingerasteten Zustand mit verlängerter Nabe 1, die dazu dienen kann, spezielle Abtriebselemente wie sehr breite Zahn- oder Kettenräder mit dem Druckflansch 2 zu verbinden und auf der Nabe 1 mit weiteren Lagerelementen zusätzlich zum vorhandenen Lagerelement 11 abzustützen und zu lagern.
Weiterhin zeigt 5 einen weiteren möglichen Aufbau der Nabel im Bereich der Schaltschräge 1.4. Die Schaltschräge 1.4 wird hier durch einen auf die Nabe 1 aufgesetzten Nabenring 1.8 gebildet.
Dadurch kann die Nabe 1 in diesem Bereich mit einer einfachen Geometrie ausgeführt werden, die keiner den Verschleiß reduzierenden Wärmebehandlung wie beispielweise einer Härtung bedarf.
Stattdessen kann der aufgesetzte Nabenring 1.8 aus einem höherwertigen Werkstoff ausgeführt und einem Härteprozess unterzogen werden.
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In 6 ist eine dritte Freischaltkupplung F3 im eingerasteten Zustand dargestellt, wobei die Freischaltkupplung F3 zur Verbindung von 2 Wellen mit einer ersten Wellenkupplung W1 in Form einer drehsteifen, elastischen Stahl-Lamellenkupplung kombiniert ist.
Die Nabe 1 dieser dritten Freischaltkupplung F3 verfügt über eine Nabenbohrung 1.1 mit Konusbuchse 14 und entsprechender Buchsenbohrung 14.1.
Durch Anziehen der Buchsenschrauben 15 wird die mit Buchsenschlitzen 14.2 versehene radial elastische Konusbuchse 14 in die mit einem Nabenkonus 1.9 versehene Nabe 1 gepresst und wird dadurch Drehmoment übertragend mit einer nicht dargestellten Antriebswelle reibschlüssig verbunden.
Der Druckflansch 2 ist auf einem Teilkreis durch eine bestimmte Anzahl von Verbindungsschrauben 17 mit einem Verbindungsflansch 16 der ersten Wellenkupplung W1 verschraubt.
Die erste Wellenkupplung W1 ist in sogenannter Zweigelenkbauweise ausgeführt und besteht aus dem Verbindungsflansch 16, zwei Lamellenpaketen 18 mit Lamellenschrauben 20, einer Zwischenplatte 19 und einer Spannringnabe 21.
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Zur Erzielung der gewünschten Verlagerungsfähigkeit der ersten Wellenkupplung W1 ist das erste der beiden Lamellenpakete 18 in axialer Richtung in einer ersten Ausgleichsebene zwischen Verbindungsflansch 16 und Zwischenplatte 19 angeordnet und mit Lamellenschrauben 20 in Umfangsrichtung abwechselnd mit Verbindungsflansch 16 und Zwischenplatte 19 verschraubt.
Das zweite der beiden Lamellenpakete 18 liegt in axialer Richtung in einer von der ersten Ausgleichsebene beabstandeten zweiten Ausgleichsebene zwischen der Zwischenplatte 19 und der Spannringnabe 21 und ist mit weiteren Lamellenschrauben 20 in Umfangsrichtung abwechselnd mit der Zwischenplatte 19 und der Spannringnabe 21 verschraubt.
Durch die Möglichkeit jedes der Lamellenpakete 18, Winkelverlagerungen auszugleichen und durch den Abstand zwischen der ersten und der zweiten Ausgleichsebene wird die erste Wellenkupplung W1 in die Lage versetzt, Lateralverlagerungen zwischen der Nabe 1 und der Spannringnabe 21 auszugleichen.
Die Spannringnabe 21 ist durch einen oder mehrere Spannschlitze 21.2 radial elastisch ausgeführt und verfügt über eine Spannringnabenbohrung 21.1 zur Verbindung mit einer nicht dargestellten Abtriebswelle.
Die Spannringnabe 21 ist im Bereich ihres Spannkonus 21.3 mit einem Spannring 22 kombiniert, der auf einem Teilkreis durch Spannschrauben 23 mit der Spannringnabe verbunden ist.
Durch Anziehen der Spannschrauben 23 wird der Spannring 22 über den Spannkonus 21.3 der Spannringnabe 21 gezogen und erzeugt dadurch einen Fugendruck zwischen Spannringnabenbohrung 21.1 und Abtriebswelle zur reibschlüssigen Übertragung des Drehmoments.
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Die Drehmomentübertragung erfolgt ausgehend von der Antriebswelle über die Konusbuchse 14 auf die Nabe 1 und über die Mitnehmerkugeln 10 auf den Druckflansch 2. Vom Druckflansch 2 erfolgt der Drehmomentfluss auf den Verbindungsflansch 16, das erste Lamellenpaket 18, die Zwischenplatte 19, das zweite Lamellenpaket 18 und über die Spannringnabe 21 mit der Spannringnabenbohrung 21.1 auf die Abtriebswelle.
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Aus 7 ist ein letztes Ausführungsbeispiel ersichtlich, das aus der bereits aus 6 bekannten dritten Freischaltkupplung F3 besteht, die mit einer zweiten Wellenkupplung W2 in Form einer elastischen Klauenkupplung kombiniert ist.
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Die zweite Wellenkupplung W2 wird aus einem Klauenflansch 24 mit axial gerichteten Flanschklauen 24.1, einem Elastomerring 26 mit radial gerichteten Puffern 26.1 und einer Klemmnabe 27 gebildet, die über axial gerichtete Nabenklauen 27.3 verfügt.
Zwischen den sich in axialer Richtung überdeckenden Flanschklauen 24.1 des Klauenflansches 24 und Nabenklauen 27.3 der Klemmnabe 27 liegen jeweils die radial gerichteten Puffer 26.1 des Elastomerringes 26, wobei sich in Umfangsrichtung immer Flanschklaue 24.1, Puffer 26.1, Nabenklaue 27.3, Puffer 26.1, Flanschklaue 24.1 usw. abwechseln.
Die Puffer 26.1 sind dabei in bevorzugter Weise spielfrei mit einem definierten Übermaß zwischen die Nabenklauen 27.3 und die Flanschklauen 24.1 eingepresst, wodurch eine verdrehspielfreie Drehmomentübertragung der zweiten Wellenkupplung W2 bei gleichzeitig guten Dämpfungseigenschaften sichergestellt ist.
Bevorzugt ist hierbei der Elastomerring 26 mit den Puffern 26.1 aus einem Polyurethanwerkstoff oder einem elastomeren Werkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften hergestellt.
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Zur reibschlüssigen Fixierung auf der nicht dargestellten Abtriebswelle verfügt die Klemmnabe 27 über eine Klemmnabenbohrung 27.1 sowie Klemmschlitze 27.2 parallel und senkrecht zur Rotationsachse R, wobei der parallel zur Rotationsachse R verlaufende Klemmschlitz 27.2 durch eine Klemmschraube 28 überbrückt wird.
Durch die Klemmschlitze 27.2 wird eine radial elastische Klemmlasche 27.4 geschaffen, die durch Anziehen der Klemmschraube 28 gegen die Abtriebswelle gepresst wird und die dort für eine reibschlüssige Übertragung des Drehmoments sorgt. Die durch die Klemmschlitze 27.2 gebildete Klemmlasche 27.4 mit der Klemmschraube 28 kann dabei zur Steigerung des übertragbaren Drehmoments zwei- oder mehrfach am Umfang der Klemmnabe 27 angeordnet sein.
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Die Drehmomentübertragung der vorgestellten Kupplung erfolgt ausgehend von der Antriebswelle über die Konusbuchse 14 auf die Nabe 1 und über die Mitnehmerkugeln 10 auf den Druckflansch 2. Vom Druckflansch 2 geht der Drehmomentfluss weiter auf den Klauenflansch 24 mit den Flanschklauen 24.1 über die Puffer 26.1 des Elastomerrings 26 auf die Nabenklauen 27.3 der Klemmnabe 27 und über die Klemmlasche 27.4 auf die Abtriebswelle.
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Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Freischaltkupplung ergeben sich aus den Patentansprüchen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nabe
- 1.1
- Nabenbohrung
- 1.2
- Sicherungsnut
- 1.3
- Nabengewinde
- 1.4
- Schaltschräge
- 1.5
- Sicherungsringnut
- 1.6
- Lagerpassung
- 1.7
- Nabenausnehmung
- 1.8
- Nabenring
- 1.9
- Nabenkonus
- 2
- Druckflansch
- 2.1
- Druckflanschdichtung
- 2.2
- Druckflanschgewinde
- 2.3
- Druckflanschausnehmung
- 2.4
- Druckflanschplateau
- 3
- Schaltteil
- 3.1
- Sensorkante
- 3.2
- Äußere Druckfläche
- 3.3
- Rückhaltefläche
- 3.4
- Innere Druckfläche
- 3.5
- Freischaltfläche
- 3.6
- Schaltkante
- 4
- Druckring
- 4.1
- Druckringdichtung
- 4.2
- Druckringkegel
- 5
- Federelement
- 6
- Einstellmutter
- 6.1
- Einstellmuttergewinde
- 6.2
- Einstellmuttermarkierung
- 6.3
- Sicherungsgewinde
- 6.4
- Mitnehmerbohrung
- 7
- Sicherungsblech
- 7.1
- Sicherungsblechmarkierung
- 7.2
- Sicherungsbohrung
- 7.3
- Sicherungsnase
- 8
- Freischaltkugel
- 9
- Freischaltsegment
- 10
- Mitnehmerkugel
- 11
- Lagerelement
- 12
- Sicherungsring
- 13
- Sicherungsschraube
- 14
- Konusbuchse
- 14.1
- Buchsenbohrung
- 14.2
- Buchsenschlitz
- 15
- Buchsenschraube
- 16
- Verbindungsflansch
- 17
- Verbindungsschraube
- 18
- Lamellenpaket
- 19
- Zwischenplatte
- 20
- Lamellenschraube
- 21
- Spannringnabe
- 21.1
- Spannringnabenbohrung
- 21.2
- Spannschlitz
- 21.3
- Spannkonus
- 22
- Spannring
- 23
- Spannschraube
- 24
- Klauenflansch
- 24.1
- Flanschklaue
- 25
- Flanschschraube
- 26
- Elastomerring
- 26.1
- Puffer
- 27
- Klemmnabe
- 27.1
- Klemmnabenbohrung
- 27.2
- Klemmschlitz
- 27.3
- Nabenklaue
- 27.4
- Klemmlasche
- 28
- Klemmschraube
- D1
- Ausrastrichtung
- D2
- Einrastrichtung
- F1
- Erste Freischaltkupplung
- F2
- Zweite Freischaltkupplung
- F3
- Dritte Freischaltkupplung
- R
- Rotationsachse
- S
- Senkwinkel
- TK
- Teilkreis
- W1
- Erste Wellenkupplung
- W2
- Zweite Wellenkupplung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0156993 B1 [0005]
- US 5092441 A [0006]
