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Die Erfindung betrifft eine Freilaufkupplung mit zwei Klemmanordnungen, die sich auf entgegengesetzten Seiten einer Referenzebene befinden und entgegengesetzte Wirkrichtungen haben und die jeweils einen Klemmkörper und einen durch einander gegenüberliegende Klemmflächen gebildeten Klemmspalt aufweisen, der den Klemmkörper aufnimmt und dessen Breite in der Wirkrichtung abnimmt.
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In
EP 3 326 683 B1 wird eine Freilaufkupplung dieser Art beschrieben, die Teil eines Sitzhöhenverstellers für Kraftfahrzeuge ist. Mit Hilfe eines auf die Klemmkörper wirkenden Antriebselements kann ein Abtriebselement der Kupplung, mit dem die Höhe des Kraftfahrzeugsitzes verstellt wird, in beiden Richtungen bewegt werden. Wenn das Antriebselement unbetätigt ist, befinden sich die Klemmkörper in ihrer jeweiligen Klemmposition, so dass die Kupplung in beiden Richtungen blockiert und der Fahrzeugsitz in der eingestellten Höhe gehalten wird.
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Gelegentlich wird jedoch ein Phänomen beobachtet, das als „Ablaufen“ der Kupplung bezeichnet wird und das darin bestellt, dass sich der Fahrzeugsitz auch bei unbetätigtem Antriebselement der Kupplung allmählich, zumeist in Abwärtsrichtung, verstellt. Ein solches Ablaufen der Kupplung kann beispielsweise dadurch verursacht werden, dass das lastaufnehmende Element, das mit dem Abtriebselement der Kupplung verbunden ist, abwechselnd Kräften ausgesetzt ist, die in entgegengesetzten Richtungen wirken und sich dem Betrage nach unterscheiden.
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Bei einem Kraftfahrzeugsitz sind diese Bedingungen beispielsweise dann gegeben, wenn der Fahrzeugsitz besetzt ist und die Fahrzeugkarosserie bei einer Fahrt auf holpriger Fahrbahn vertikalen Vibrationen ausgesetzt ist. Die durch die Vibrationen verursachten vertikalen Kräfte, denen der Fahrzeugsitz ausgesetzt ist, wirken abwechselnd nach oben und nach unten. Die nach unten gerichteten Kräfte werden jedoch durch die Gewichtskraft der auf den Sitz sitzenden Person verstärkt und überwiegen dadurch die aufwärts gerichteten Kräfte, so dass es zu einem Ablaufen der Kupplung kommt.
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Bei der bekannten Kupplung ist deshalb eine Zusatzverriegelung vorgesehen, die den Fahrzeugsitz zusätzlich mechanisch in der eingestellten Position verriegelt und bei Betätigung des Antriebselements der Kupplung automatisch gelöst wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine intrinsisch ablaufärmere Freilaufkupplung zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Klemmanordnungen in Bezug auf die Referenzebene asymmetrisch ausgebildet sind.
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Durch die Asymmetrie der Klemmanordnungen kann die Asymmetrie der auf das lastaufnehmende Element wirkenden Kräfte ganz oder teilweise kompensiert werden, so dass die Tendenz der Kupplung zum Ablaufen deutlich verringert wird.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei dem Phänomen des Ablaufens spielen geringfügige elastische Verformungen der an der Klemmung der Klemmkörper beteiligten Elemente eine wesentliche Rolle. In der Wirkrichtung, in der die auf das lastaufnehmende Element wirkenden Kräfte stärker sind, kommt es zu größeren elastischen Verformungen als in der Gegenrichtung. Bei jedem Lastwechsel aus der Richtung der schwächeren Kraft in die Richtung der stärkeren Kraft kommt es aufgrund der elastischen Verformungen zu einer geringfügigen Verdrehung des Abtriebselements, die bei herkömmlichen Kupplungen nicht vollständig wieder rückgängig gemacht wird, wenn der nächste Lastwechsel in der entgegengesetzten Richtung stattfindet. Bei der erfindungsgemäßen Kupplung wird durch die Asymmetrie der Klemmanordnungen erreicht, dass bei gegebenem Betrag der Kraft das Ausmaß der Verdrehung in der Richtung, in der die stärkeren Kräfte wirken, verringert wird oder das Ausmaß der Verdrehung in der Richtung, in der de schwächeren Kräfte wirken, vergrö-ßert wird, so dass im Idealfall die Verdrehungen in den beiden entgegengesetzten Richtungen einander ausgleichen.
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Die Asymmetrie der Klemmanordnungen kann beispielsweise zumindest zum Teil darin bestehen, dass die beiden Klemmkörper sich in ihrem Elastizitätsmodul unterscheiden.
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Eine andere Möglichkeit der asymmetrischen Ausbildung der Klemmanordnungen besteht darin, dass die Geometrien der Klemmspalte asymmetrisch sind.
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Bei Freilaufkupplungen mit mehreren Paaren von Klemmanordnungen kann eine Asymmetrie auch dadurch herbeigeführt werden, dass bei einer Klemmanordnung mindestens eines Paares der Klemmkörper wegegelassen oder unwirksam gemacht wird. Mit dieser „Klemmanordnung“ wird dann zwar nicht wirklich etwas geklemmt, jedoch soll die Bezeichnung „Klemmanordnung“ aus Gründen der Systematik beibehalten werden.
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Schließlich ist es auch möglich, eine Asymmetrie dadurch herbeizuführen, dass sich die Klemmkörper der beiden Klemmanordnungen eines Paares in der Länge in der Richtung senkrecht zu der Wirkrichtung und parallel zu den Klemmflächen unterscheiden.
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Im folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 einen Teilschnitt einer Freilaufkupplung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 und 3 Teilschnitte analog zu 1, jedoch für eine herkömmliche Freilaufkupplung in unterschiedlichen Stadien während eines Ablaufprozesses;
- 4 einen Teilschnitt einer Freilaufkupplung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung:
- 5 eine graphische Darstellung der Breite von Klemmspalten bei der Kupplung nach 4;
- 6 einen vollständigen Querschnitt der Freilaufkupplung in der Ausführungsform nach 4;
- 7 eine Illustration einer Anwendung der erfindungsgemäßen Freilaufkupplung in einem Hubwagen;
- 8 einen Querschnitt einer Freilaufkupplung gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
- 9 einen Schnitt entsprechend der Linie IX - IX in 8, jedoch für eine andere Ausführungsform als in 8.
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Die in 1 in einem Teilschnitt gezeigte Freilaufkupplung weist einen Innenring 10 und einen Außenring 12 auf, der den Innenring mit Abstand umgibt. Auf entgegengesetzten Seiten einer radial verlaufenden Referenzebene R sind zwei Klemmanordnungen 14, 16 gebildet, die einander entgegengesetzte Wirkrichtungen x1 und x2 haben und jeweils einen Klemmkörper 18, 20 (im gezeigten Beispiel eine Klemmrolle) aufweisen, der in einem sich in der jeweiligen Wirkrichtung erstreckenden Klemmspalt aufgenommen ist. Die Klemmspalte werden jeweils begrenzt durch einander radial gegenüberliegende Klemmflächen 22, 24. Die Klemmflächen 22 beider Klemmspalte sind Teil der inneren Umfangsfläche des Außenrings 12, und die Klemmflächen 24 beider Klemmspalte sind Teil der äußeren Umfangsfläche des Innenrings 10. Die äußere Umfangsfläche des Innenrings 10, die die Klemmflächen 24 bildet, ist in diesem Beispiel insgesamt zylindrisch, während die innere Umfangsfläche des Außenrings 12 so geformt ist, dass die Breite des Klemmspaltes, also der radiale Abstand zwischen den Klemmflächen 22, 24 in der jeweiligen Wirkrichtung x1 bzw. x2 abnimmt. Zwischen den beiden Klemmkörpern 18, 20 ist ein elastisches Spreizglied 26 angeordnet, das die Klemmkörper 18, 20 auseinanderdrückt und sie so in einer jeweiligen Klemmposition hält, in der sie an den Klemmflächen 22, 24 anliegen. Wenn nun bei festgehaltenem Innenring 10 ein Drehmoment im Uhrzeigersinn auf den Außenring 12 wirkt, so wird bei der ersten Klemmanordnung 14 die Klemmung des Klemmkörpers 18 verstärkt, so dass der Au-ßenring sich nicht drehen kann, sondern klemmend in Position gehalten wird. Wenn dagegen ein Drehmoment in Gegenuhrzeigerrichtung auf den Außenring 12 wirkt, so wird bei der Klemmanordnung 16 die Klemmung des Klemmkörpers 20 verstärkt und der Außenring 12 wird ebenfalls klemmend in Position gehalten.
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Die in 1 gezeigte Freilaufkupplung ist für einen Anwendungsfall ausgelegt, bei dem auf den Außenring 12 abwechselnd ein Drehmoment im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn wirkt, jedoch das Drehmoment im Gegenuhrzeigersinn größer ist als das Drehmoment im Uhrzeigersinn. Ein Ablaufen der Kupplung wird dadurch verhindert, dass die Klemmkörper 18, 20 eine asymmetrische Materialpaarung aufweisen. Beispielsweise besteht der Klemmkörper 18 aus Aluminium und der Klemmkörper 20 aus Stahl. In dem hier vorgesehenen Anwendungsfall sind die Materialien jedenfalls so gewählt, dass der Klemmkörper 20 einen größeren Elastizitätsmodul hat als der Klemmkörper 18.
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Der Effekt dieser asymmetrischen Materialpaarung soll anhand der 2 und 3 erläutert werden, die jedoch eine herkömmliche Kupplung mit Klemmkörpern 18', 20' zeigt, die eine symmetrische Materialpaarung bilden und beide aus Stahl bestehen.
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In 2 wirkt auf den Außenring 12 ein dem Betrage nach großes Drehmoment T1 im Gegenuhrzeigersinn. Der Klemmkörper 20' wird durch die entstehenden Klemmkräfte elastisch geformt, wie in 2 übertrieben dargestellt ist. Durch diese elastische Verformung kommt es zu einer Verdrehung des Außenrings 12 um einen Winkel δ1. Diese Verdrehung bleibt bestehen, solange das Drehmoment T1 anhält.
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3 zeigt die Situation nach einem Lastwechsel. Auf den Außenring 12 wirkt nun ein Drehmoment T2 im Uhrzeigersinn. Dieses Drehmoment ist jedoch dem Betrage nach kleiner als T1. Durch die Klemmkräfte wird nun der Klemmkörper 18' elastisch verformt, jedoch ist aufgrund des geringeren Drehmoments das Ausmaß dieser elastischen Verformung kleiner. Dementsprechend wird der Außenring 12 auch nur um einen kleineren Drehwinkel δ2 in Uhrzeigerrichtung zurückgedreht, so dass eine Netto-Verdrehung in Gegenuhrzeigerrichtung übrig bleibt.
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Beim nächsten Lastwechsel würde der Außenring wieder um den Winkel δ1 in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht, und beim übernächsten Lastwechsel würde sich die Netto-Verdrehung des Außenrings verdoppeln. Das heißt, der Außenring 12 würde mit zunehmender Zahl der Lastwechsel dem überwiegenden Drehmoment T1 nachgeben, und die Kupplung würde ablaufen.
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Bei der erfindungsgemäßen Kupplung gemäß 1 würde das in Gegenuhrzeigerrichtung wirkende Drehmoment T1 dazu führen, dass der aus Stahl bestehende Klemmkörper 20 genauso verformt wird wie der Klemmkörper 20' in 2. Der Klemmkörper 18 besteht jedoch aus Aluminium und hat einen kleineren Elastizitätsmodul. Wenn nach einem Lastwechsel das Drehmoment T2 wirkt, ist deshalb die elastische Verformung des Klemmkörpers 18 größer als bei dem Klemmkörper 18' nach 3, und sie liegt etwa in der gleichen Größenordnung wie die vorherige elastische Verformung des Klemmkörpers 20. Die diesen elastischen Verformungen entsprechenden Verdrehungen des Außenrings 12 liegen deshalb in der gleichen Größenordnung und heben sich im wesentlichen auf, so dass es nicht zu einer Netto-Verdrehung des Außenrings und folglich auch nicht zu einem Ablaufen der Kupplung kommt.
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4 zeigt einen Teilschnitt durch eine Freilaufkupplung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
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Auch diese Freilaufkupplung hat einen Innenring 30, einen Außenring 32 und zwei Klemmanordnungen 34, 36, die jeweils einen Klemmkörper 38, 40 in einem zugehörigen Klemmspalt aufweisen und durch einen Spreizkörper 46 auseinandergedrückt werden. Die Klemmkörper 38, 40 bestehen in diesem Beispiel beide aus dem gleichen Material, beispielsweise aus Stahl. Die Asymmetrie der Klemmanordnungen 34, 36 besteht darin, dass die beiden Klemmspalte asymmetrische Formen haben.
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In 5 gibt eine Kurve 50 die Breite W der beiden Klemmspalte als Funktion des Ortes in der jeweiligen Wirkrichtung x1 bzw. x2 an. Für die Punkte x1 = k1 und x2 = k2 sind Tangenten 52, 54 an die Kurve 50 eingezeichnet, um zu verdeutlichen, dass die Breite W der Klemmspalte bei den beiden Klemmanordnungen, speziell an den Orten k1 und k2 der Klemmkörper, unterschiedliche Gradienten hat. Am Punkt k2 ist der Gradient (Tangente 54) steiler als an dem Punkt k1 (Tangente 52). Bei einer Verdrehung des Außenrings 32 um einen gegebenen Winkel in Gegenuhrzeigerrichtung ist deshalb die elastische Verformung des Klemmkörpers 40 stärker als die elastische Verformung des Klemmkörpers 38 bei einer Verdrehung um den gleichen Winkel in Uhrzeigerrichtung. Das bedeutet, dass der Klemmkörper 40 der Verdrehung in Gegenuhrzeigerrichtung einen größeren Widerstand entgegensetzt. Wenn auf den Außenring 32 beispielsweise das in 2 gezeigte Drehmoment T1 wirkt, so wird er nicht um den Winkel δ1 verdreht, sondern nur um einen Winkel, der etwa so groß ist wie der Winkel δ2. Auch in dieser Ausführungsform heben sich somit die bei zwei aufeinanderfolgenden Lastwechseln auftretenden Verdrehungen gegenseitig auf.
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In einer weiteren, nicht gezeigten Ausführungsform könnte die Asymmetrie der Klemmanordnungen auch dadurch erreicht werden, dass der Innenring oder der Außenring ein Verbundelement aus zwei verschiedenen Materialien ist und so aufgebaut ist, dass sich die Teile des Verbundelements, die rechts und links der Referenzebene R in 1 liegen und die Klemmflächen 22 oder 24 bilden, sich in ihrem Elastizitätsmodul unterscheiden.
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6 zeigt den vollständigen Querschnitt der Freilaufkupplung, die gemäß 4 ausgebildet ist und insgesamt sechs Paare von Klemmanordnungen 34, 36 hat. Außerdem sind hier sechs Klauen 56 eines Antriebselements 58 (7) gezeigt, das in 6 hinter den Innenring 30 und dem Außenring 32 liegt. 6 zeigt die Freilaufkupplung in einem Zustand, in dem der Außenring 32 mit Hilfe des Antriebselements 58 in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht wird. Die Klauen 56 greifen in den Ringspalt zwischen dem Innenring 30 und dem Außenring 32 ein und drücken jeweils auf einen der Klemmkörper der Klemmanordnungen 36. Diese Klemmkörper werden dadurch aus ihrer jeweiligen Klemmstellung herausgedrückt, so dass der Außenring 32 bei der Drehung des Antriebselements 58 durch einen nicht gezeigten Mitnehmer mitgenommen werden kann.
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In 7 ist als einfaches Anwendungsbeispiel ein Hubwagen gezeigt, der eine erfindungsgemäße Freilaufkupplung 60 aufweist. Der Hubwagen weist als lastaufnehmendes Element 62 eine Hubbühne auf, die an Führungsstäben 64 geführt ist, die vertikal von einem Fahrgestell 66 aufragen. Die Höhe der Hubbühne ist mit Hilfe eines Spindeltriebs 68 verstellbar, dessen Spindel ein Abtriebselement 70 der Freilaufkupplung 60 bildet und drehfest mit dem Außenring 32 dieser Kupplung verbunden ist. Das Antriebselement 58 hat in Umfangsrichtung relativ zu dem Außenring 32 und der Spindel 70 nur ein begrenztes Spiel und ist durch ein Ritzel 72 angetrieben, das seinerseits durch einen Motor 74 angetrieben wird. Die Spindel (Abtriebselement 70) erstreckt sich durch die Freilaufkupplung 60 hindurch und stützt sich mit ihrem unteren Ende über ein Axiallager 76 auf dem Fahrgestell 66 ab, so dass die Gewichtskraft einer auf der Hubbühne liegenden Last 78 aufgenommen werden kann. Wenn die Höhe der Hubbühne mit Hilfe des Spindeltriebs 68 auf einen gewünschten Wert eingestellt wurde und der Motor 74 abgeschaltet wird, so hält die Freilaufkupplung 60 das Abtriebselement 70 und damit auch das lastaufnehmende Element 62 in der eingestellten Position. Wenn bei der Fahrt des Hubwagens auf unebenen Boden Erschütterungen auftreten, so ist das lastaufnehmende Element 62 wechselnden vertikalen Trägheitskräften ausgesetzt, wobei die abwärts gerichtete Kraft durch das Gewicht der Last 78 erhöht wird, während die aufwärts gerichtete Kraft durch dieses Gewicht verringert wird. Durch den Spindeltrieb 68 werden diese Kräfte in Drehmoment eumgesetzt, die über das Abtriebselement 70 auf den Außenring 32 der Freilaufkupplung 60 wirken. Die Asymmetrie zwischen diesen Drehmomenten wird durch die Asymmetrie der Klemmanordnungen der Freilaufkupplung ausgeglichen.
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8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, das sich von der Ausführungsform nach 1 dadurch unterscheidet, dass die Klemmkörper 18 nicht aus weicherem Material bestehen sondern bei dreien der insgesamt sechs Paare von Klemmanordnungen ganz weggelassen wurden. Auf diese Weise entstehen „Pseudo“-Klemmanordnungen 14' ohne Klemmkörper. Der Effekt besteht darin, dass bei einem Drehmoment in Gegenuhrzeigersinn in 8 sechs Klemmkörper wirksam sind und der Verformung einen größeren Widerstand entgegensetzen, während bei einer Drehung in Gegenrichtung nur drei Klemmkörper wirksam sind und bei der Klemmung entsprechend stärker belastet werden und sich stärker verformen, so dass die Asymmetrie der Drehmomente ausgeglichen wird.
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9 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der gleiche Effekt dadurch erreicht wird, dass die Klemmkörper (Klemmrollen) 18 durch Klemmkörper 18" ersetzt sind, die zwar aus dem gleichen Material bestehen wie die Klemmkörper 20, jedoch eine geringere Länge in der Axialrichtung y haben, so dass sie leichter verformbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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