DE2204305C3

DE2204305C3 - Klemmkörper für Freilaufkupplungen

Info

Publication number: DE2204305C3
Application number: DE2204305A
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dipl.-Ing. 6380 Bad Homburg Timtner
Original assignee: RINGSPANN ALBRECHT MAURER KG 6380 BAD HOMBURG
Current assignee: RINGSPANN ALBRECHT MAURER KG 6380 BAD HOMBURG
Priority date: 1972-01-31
Filing date: 1972-01-31
Publication date: 1981-02-19
Also published as: DE2204305B2; JPS567531B2; US3819019A; JPS4887239A; DE2204305A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Klemmkörper für eine Freilaufkupplung mit zwei konzentrisch zueinander •ngeordneten Laufringen mit gegenüberliegenden. tylindrischen Klemmbahnen, an denen jeweils eine konvexe Klemmfläche des Kiemmkörpers längs einer geraden Berührungslinie anliegt, wobei der Klemmwinkel abhängig ist von der Kippbewegung des Klemmkörpers. «

Derartige Klemmkörper sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt. Ihre konvexen Klemmflächen find so zueinander angeordnet, daß die Kippbewegung der Klemmkörper eine Änderung der Klemmkörperhöhe in radialer Richtung der Kupplung bewirkt. Zur Einleitung des Einkuppelvorganges werden die Klemm körper meist durch Federn an die Klemmbahnen der Laufringe gedrückt. Da die Ursache der Kippbewegung in den zwischen Klemmfläche und Klemmbahn auftretenden Reibungskräften liegt, hängt die Richtung ^ <er Kippbewegung von der Relativbewegung der beiden Laufringe zueinander ab. So führt die Relativbewegung in der einen Richtung zu einer die radiale Klemmkörperhöhe und damit auch die wirksamen Reibungskräfte verringernden Kippbewegung, d. h. zum Preilaufbetrieb. während die Relativbewegung in der anderen Richtung eine die radiale Klemmkörperhöhe und damit auch die Reibungskräfte Vergrößernde Rippbewegung des Klemmkörpers bewirkt, so daß die Kupplung kraftschlüssig wird und ein Drehmoment vom ⁶* treibenden zürn getriebenen Laufring Übertragen wird.

Durch die Zeitschrift »Anfriebslechnik«, 1967, Nn 5, Seiten 172 bis 175 Und durch die DE-OS 1"4 50 158 ist es bekannt, die Klemmflächen mit einer logarithmischen Kurvenform zu versehen. Dadurch bleibt beim Kippen des Klemmkörpers ein konstanter Kiemmwinkel erhalten. Dies hat den Vorteil, daß Kippbewegungen der Klemmkörper infolge Unrundheit eines Laufringes oder infolge nicht genau zentrischer Lagerung beider Laufringe keinen Einfluß auf den Klemmwinkel haben und es können deshalb relativ große Exzentritäten zwischen den Laufringen überbrückt werden, ohne daß ein Rutschen eintritt. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß man zur Einleitung des Einkuppelvorganges einen möglichst kleinen Klemmwinkel anstrebt, um eine zum sicheren Durchstoßen des Schmiermittelfilmes auf den Klemmpartnern ausreichende Normalkraft sicherzustellen, wohingegen nach dem Eingriff der Kupplung ein möglichst hoher Klemmwinkel günstig ist, um die Normalkräfte im Verhältnis zu den Umfangskräften möglichst klein zu halten.

Um einen derartigen Verlauf des Klemmwinkels in Abhängigkeit von der Kippbewegung des Klemmkörpers herbeizuführen, ist es durch die DE-PS 11 99 066 und die US-PS 25 97 241 bekannt, zumindest die eine Klemmfläche des Klemmkörpers aus mehreren ineinander übergehenden, achsparallelen Zylinderabschnitten verschiedener Radien zusammenzusetzen. Dabei liefert jeder Zylinderabschnitt eine besondere Klemmwinkelcharakteristik in Abhängigkeit von der Kippbewegung des Kiemmkörpers, etwa in der Weise, daß der Klemmwinkel zu Beginn des Einkuppeins einen Minimalwert hat. während er mit zunehmender Drehmomentübertragung und der damit einhergehenden Kippbewegung des Klemmkörpers ansteigt. Zusätzlich kann der Klemmwinkel auch in dem Kippbereich zwischen Einkuppelzustand und Freilaufzustand ansteigen, um ein rasches Freiwerden der Klemmflächen von den Klemmbahnen der Laufringe bei geringem Verdrehwinkel zu erreichen.

Nachteilig bei diesen bekannten Klemmkörpern ist jedoch die Tatsache, daß die aneinandergesetzten Zylinderabschnitte einer Klemm^äche an ihrer Verbindungsstelle einen scharfen Knick in der Klemmwinkelkurve hervorrufen. Dadurch ergibt sich im Einkuppelbereich der Klemmwinkelkurve nur ein schmaler Bereich der Klemmkörperhöhe bzw. der Kippstellung, in dem der Klemmwinkel ausreichend klein ist, um ein sicheres Durchdringen lcs ölfilmes durch den Klemmkörper zu gewährleisten. Dieser schmale Bereich läßt sich in der Praxis nicht über den gesamten Umfang der Freilaufringe aufrechterhalten. Es muß vielmehr mit radialen Verlagerungen von deren Klemmbahnen in der Größenordnung von ca. Vio mm gerechnet werden, so daß die den Einkuppelvorgang ermöglichende Kippstellung nur an einzelnen Stellen des Umfanges der Freilaufkupplung angetroffen wird. Die Folge ist ungleichmäßiges Tragen, erhöhte Materialbeanspruchung und eine Minderung des maximal übertragbaren Drehmomentes. Dieselben Probleme treten in verstärktem Maße bei solchen Kupplungen auf. die entspre chend der DE-PS 10 79 904 zur gleichmäßigeren Klemmflächenabnutzung einen längs des Umfanges sich periodisch und stetig ändernden radialen Absland zwischen innererund äußerer Klemmbahn aufweisen.

Zwar ließe sich eine flachere Charakteristik der KlernmwinkelkUrVe im EinkUppelbcreich durch das Aufteilen der Klemmfläche in weitere achsparallele Zylinderabschnitte mit feinabgestuften Radien erzielen. Dadurch v/ürde jedoch der ohnehin schon große Aufwand für die Herstellung der die Klemmkörper

formenden Ziehmatritzen noch weiter erhöht.

Hiervon ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Klemmkörper zu schaffen, der im Einkuppelbereich eine zum sicheren Durchstoßen des Schmierfilmes ausreichende, aber nicht unnötig hohe Normalkraft liefert, und zwar insbesondere bei an verschiedenen Stellen des Umfanges verschieden großem radialen Abstand zwischen äußerer und innerer Klemmbahn des Freilaufes. Ferner soll der beschriebene Klemmwinkfilanstieg bei Drehmomentbelastung möglichst rasch erfolgen, wobei die Klemmkörper bei geringem Verdrehwinkel eine große Höhenzunahme aufweisen sollen, um elastische Verformungen der Freiiaufringe gut überbrücken zu können. Außerdem sollen die Klemmkörper bei Verdrehung im Entkuppelsinn nach Durchschreiten des Einkuppe'bereiches eine möglichst rasche Höhenabnahme bei kleinem Verdrehwinkel aufweisen und schließlich sollen sie eine verhältnismäßig einfache Herstellung der Ziehmatritzen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine Klemmfläche als Evolventen-Zylinder ausgebildet ist Dabei ist aus Gründen der einfacheren Herstellung ein Kreiselvolventenprofil am zweckmäßigsten. Die erfindungsgemäße Anwendung einer Evolvente bietet als Grenzfall unendlich vieler aneinandergereihter, achsparalleler Kreiszylinder von unendlich feiner Radiusabstufung einen ideal kontinuierlichen Verlauf der Klemmflächenkrümmung bei einem Minimum an technischem Herstellungsaufwand. Dementsprechend wird auch der Verlauf der Klemmwinkelkurve in dem kritischen Bereich des Einkuppeins derart geglättet, daß der Klemmwinkel seinen MinimλΙ-wert über einen breiten Kippbereich nahezu konstant hält, wobei er aus dem Einkuppelbereich heraus sowohl bei geringerer als auch bei größerer radialer Klemmkörperhöhe bzw. Kippstellung stetig zunimmt.

Im allgemeinen läßt sich durch eine Mittelpunktsverschiebung oder eine Radiusveränderung des Grundkreises der Evolvente jede gewünschte Klemmkurvencharakterisl'k erzielen. In Sonderfällen besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß der Evolventen-Zylinder aus Evolventen verschiedener Grundkreise zusammengesetzt ist. Diese können dann unmittelbar ineinander übergehen oder durch einen die beiden Evolventen-Zylinder tangierenden Kreiszylinder verbunden sein.

Vortpilhafterveise ist das Evol· entenprofil an der mit dem inneren Laufring in Berührung stehenden inneren Klemmfläche des Klemmkörpers vorgesehen, wohingegen seine äußere Klemmfläche als Kreiszylinder ausgebildet ist. desser Achse in an sich bekannter Weise durch den Schwerpunkt des Klemmkörpers hindurchgeht. Hierdurch läßt sich der Vorteil, daß die bei höheren Drehzahlen der Freilaufkupplung in Betracht zu ziehende Fliehkraft keinen Einfluß auf die Kippbewegung des Klemmkörper hat, auch auf solche Klemmkörper übertragen, bei denen die eine Klemmfläche als Evolventen-Zylinder ausgebildet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; dabei zeigt

Fig. I die wichtigsten am Klemmkörper angreifenden Kräfte bei Drehmomentübertragung,

Fig.2 einen bekannten Klemmkörper mit einer aus Zwei Zyjinderabschnitten zusammengesetzten Klemmflächen,

Fig.3 die zu dem Klemmkörper gemäß Fig.2 gehörige Klemmwinkelkurve,

Fig.4 einen erfindungsgemäßen Klemmkörper mit Evolventenprofil und

Fig.5 die zu dem Klemmkörper gemäß Fig.4 gehörige KlemmwinkelKurve.

F i g. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die an einem Klemmkörper angreifenden Kräfte unter Vernachlässigung des Eigengewichtes, der durch eine Feder im allgemeinen erzeugten Rückstellkraft und der bei Rotation auftretenden Fliehkraft. Mit H₃, H₁ sind diJ reibungsbedingten Umfangskräfte an der äußeren bzw.

ίο der inneren Klemmfläche bezeichnet Die von ihnen hervorgerufenen senkrecht auf der Klemmfläche stehenden Normalkräfte heißen an der äußeren Klemmfläche N_s und an der inneren Klemmfläche N,. Die Drehachse der nicht näher dargestellten Kupplung fällt mit der Zylinderachse der äußeren und der inneren Klemmbahn der Laufringe zusammen und geht durch den Punkt M. Die Punkte M₃ und M, fixieren die Achse der kreiszylindrischen äußeren bzw. inneren Klemmfläche.

Als Bedingung für den in Fig.! dargestellten Gleichgewichtszustand eines Klemmkörpers müssen die resultierenden Kräfte von N₃ in.d H₃ bzw. von N₁ und H₁ auf der gleichen Wirkungslinie liegen und einander entgegengesetzt gleichgroß sein. Es gilt:

= tanijund
HJN₁ = tans,.

Der Tangens des eingangs definierten Klemmwinkeis ε gibt somit das Verhältnis von Umfangskraft zu Normalkraft an. Infoige der geringen Winkelbeträge kann dieses Verhältnis in guter Näherung direkt dem im Bogenmaß gemessenen Klemmwinkel gleichgesetzt werden. Ein geringer Klemmwinkel bedeutet, daß bereits kleine Umfangskräfte eine relativ große Normalkraft verursachen. Dieser Zustand ist beim Einkuppeln erwünscht, damit alle Klemmkörper mit Sicherheit den zwischen Klemmbahnen und Klemmflächen befindlichen Ölfilm durchdringen und der darauf sich einstellende höhere Reibungsbeiwert ausgenutzt

■to werden kann Bei einem großen Klemmwmkel wird dagegen die Umfangskraft in einem geringeren Maße in Normalkraft umgesetzt. Dieser Zustand ist bei Höchstlast erwünscht, um die Hertzsche Pressung an den Klemmflächen möglichst gering zu halten. Allerdings muß der Klemmwinkel stets unterhalb des maximal möglichen Haftreibungswinkels bleiben, da anderenfalls die Kupplung durchrutscht.

Aufgrund dieser Zusammenhänge sind Klemmkörper bekannt, deren Klemmwinkel sich in Abhängigkeit von der radialen Klemmkörperhöhe ändert. Ein solcher Klemmkörper ist in Fig. 2 dargestellt. Der Klemmkörper 1 ruht mit seinen Klemmfächen a, b, c, d zwischen der inneren Klemmbahn eines Freilauf-Außenringes 2 und der äußeren Klerumbahn eines Freilauf-Innenringes

3. Bei Drehung des Außenringes 2 in der angezeigten Richtung erfährt der Klemmkörper 1 eine Kipobewegung, bei der der Klemmwinkel zunimmt, zntsprechend dem Verlauf der Linie 7—9 in Fig. 3. Dabei nähert sich der Klemmwiiikel allmählich dem Haftreibungsbeiwert.

bei dessen Überschreiten es zum Durchrutschen der Kupplung kommt. Um dies zu verhindern, schließt sich an die Klemmfläche a des Klemmkörpers 1 eine Klemmfläche h mit verringertem Zylinderradius r,' an. Sobald diese Klemmfläche b mit dem Außenring 2 in

Kontakt kommt, stellt sich eine flachere Charakteristik des Klemmwinkels ein, entsprechend der Linie 9—10 in F i g. 3. Punkt 4 der Klemmfläche entspricht dabei dem Punkt 9 der Klemmwinkelkurve.

ι !■
i

Bei Drehung des Außenringes 2 entgegen der Pfeilrichtung wird der Klemmkörper 1 im Sinne abnehmender radialer Klemmkörperhöhe gekippt, bis die Klemmflächen im Freilaufzustand nur noch mehr oder weniger lose an den Klemmbahnen des Außen- ι und des Innenringes gleiten. Entsprechend der abnehmenden radialen Klemmkörperhöhe läuft der Klemmwinkel die in Fig.3 dargestellte Klemmwinkclkufvc zurück. Gegen Ende der Kippbewegung kommt die Klemmfläche c mit einem gegenüber der benachbarten (0 Zylinderfläche verringerten Zylinderradius rf in Kontakt mit dem Innenring 3. Aufgrund der Radiusverringerung an der inneren Klemmfläche ändert sich die Charakteristik der Klemmwinkelkurve derart, daß der Klemmwinkel trotz abnehmender radialer Klemmkörperhöhe stark zunimmt, entsprechend der Linie 7—6 in Fig.3. Das Minimum des Klemmwinkels im Zustandspunkt 7 in Fig.3 wird dann durchlaufen, wenn die Berührlinie der inneren Klemmfläche am Innenring 3 durch den Punkt 5 geht.

Wie Fig. 3 zeigt, müssen sich die Klemmkörper während des Einkuppelvorganges in einem gewissen Bereich der Klemmkörperhöhe befinden, damit der zur Drehmomentübertragung erforderliche Reibungsbeiwert unterhalb des tatsächlichen, infolge des Ölfilmes 2^r> zunächst sehr geringen Reibungsbeiwertes bleibt. Die in F i g. 3 als Einkuppelbereich gezeichnete Schwankungsbreite der Klemmkörpcrhöhc läßt sich in der Praxis nicht über den ganzen Umfang des Ringraumes aufrechterhalten, da bereits radiale Verlagerungen der *<> Klemmbahnen in der Größenordnung von ca. '/10 mm genügen, um die von dieser Verlagerung betroffenen Klemmkörper aus dem Einkuppelbereich herauszukippen. Bei Einleitung eines Drehmomentes in die Kupplung sind diese Klemmkörper nicht mehr in der i^r> Lage, den zwischen Laufbahn und Klemmfläche befindlichen Schmierfilm zu durchdringen und in den Bereich des Trockenreibungsbeiwertes zu gelangen. Sie fallen daher für die Drehmomentübertragung aus.

Kig.4 zeigt einen erfindungsgemäßen Klemmkörper -·^η II. dessen eine Klemmfläche a das Profil einer Kreisevolvente aufweist. Die andere Klemmfläche b ist als übliche Kreiszylinderfläehe ausgebildet. Der Grund kreis, an dem die Erzeugende sich abwickelt, weist eine! Radius /?cauf.

Der Mittelpunkt Mc des Grundkreises liegt etwa oberhalb der Horizontalachse des Klemmkörpers 1 und ist im übrigen so angeordnet, daß·der Grundkrei: den Mittelpunkt Oder kfeiszylindrischen Klemmflächi b umfährt. Der Mittelpunkt O ist gleichzeitig auch da: Zentrum der beiden kreiszylindrischen Seitenflächen Selbstverständlich bestehen bezüglich der Anordnunj des Gnjndkreises zahlreiche Varialionsmöglichkeiten sowohl hinsichtlich der Placierung des Grundkreismit telpunkles Mc, als auch hinsichtlich der Bemessung de: Grundkreisradius Rc- Im übrigen besteht auch dii Möglichkeit, anstelle des Grundkreises eine Ellipse odc ähnliche Kurve vorzusehen, auf der die Erzeugend! abgewickelt wird. Allerdings ist die technische Reprodu zierbarkeit einer Kreisevolvente wesentlich einfacher da die erforderlichen Bewegungsabläufe von de; Verzahnungstechnik her geläufig sind.

Die /u dem erfindungsgemäßen Klemmkörper 1: gehörige Klemmwinkelkurve ist in Fig. 5 dargestellt Sie zeichnet sich durch einen über die gesamt! Klemmkörperhöhe gleichmäßigen Verlauf und durcl das Fehlen von Unstetigkeitsstellen aus. F.ntsprechenc gleichmäßig verlaufen auch die während der Kippbewe gung des Klemmslückes auftretenden Belastungsänderungen, wodurch sich die Lebensdauer der mit der erfindungs^t'mäßen Klemmkörpern ausgerüsteter Kupplungen erhöht. Weiterhin zeigt Fig. 5 deutlich daß das erfindungsgemäße Evolventenprofil der Klemmkörpern einen relativ breiten Einkuppelbereicr anbietet, der sicherstellt, daß alle Klemmkörper der zwischen Klemmfläche und Laufbahn befindlicher Schmierfilm durchdringen, selbst wenn der Ringspali entsprechend der Patentschrift Nr. 10 79 904 eine siel· periodisch und stetig ändernde radiale Breite aufweisi oder durch Fertigungsungenauigkeiten radiale Verset zungen der beiden Kupplungsringe entstanden sind.

Außerhalb des Einkuppelbereiches steigt die Klemmwinkelkurve in der gewünschten Weise an.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Klemmkörper für eine Freilaufkupplung mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Laufringen mit gegenüberliegenden, zylindrischen Klemmbahnen, an denen jeweils eine konvexe Klemmfläche des Klemmkörpers längs einer geraden Berührungslinie anliegt, wobei der Klemmwinkel abhängig ist von der Kippbewegung des Klemmkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Klemmfläche (a)a\s Evolventen-Zylinder ausgebildet ist

2. Klemmkörper nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventen-Zylinder ein H Kreisevolventenprofi! aufweist.

3. Klemmkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventen-Zylinder aus Evolventen verschiedener Grundkreise zusammengesetzt ist.

4. K'emmkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Evolventen verschiedener Grundkreise durch einen diese jeweils tangierenden Kreiszylinder verbunden sind.

5. Klemmkörper nach einem der vorhergehenden 2"> Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem inneren Laufring (3) in Berührung stehende innere Klemmfläche (a) des Klemmkörpers (11) als Evolventen Zylinder, die mit dem äußeren Laufring (2) in Berührung stehende äußere Klemmfläche (b)\n » an sich bekannter Weise als Kreiszylinder ausgebildet ist, dessen Achse durch den Schwerpunkt des Klemmkörper (11) hindurchgeht.