DE4114026A1

DE4114026A1 - Einsatzteil fuer freilaufkupplung

Info

Publication number: DE4114026A1
Application number: DE4114026A
Authority: DE
Inventors: Robert J Ostrander
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Warner Electric Technology LLC
Priority date: 1990-04-30
Filing date: 1991-04-29
Publication date: 1991-10-31
Also published as: GB9109283D0; IL97970A0; CH684759A5; AU635130B2; JPH04228933A; GB2243622B; GB2243622A; US5123972A; CA2041360A1; AU7598791A; CA2041360C

Description

Die Erfindung betrifft ein Einsatzteil für eine Frei laufkupplung und insbesondere ein gehärtetes Einsatz teil und einen Bremsschuh zur Verwendung in solchen Kupplungen.

Motoren, die in beide Drehrichtungen umlaufen können, sind bekannt, und sie werden verwendet, um selektiv eine Ausgangswelle entweder in Uhrzeigerrichtung oder Gegenuhrzeigerrichtung anzutreiben. Gewöhnlich ist die Ausgangswelle mit einer getriebenen Einrichtung zur Drehung mit ihr gekoppelt und die Drehung der Ausgangs welle überträgt ein Drehmoment auf die getriebene Ein richtung. In manchen Situationen jedoch kann von der ge triebenen Einrichtung ein Rückmoment auf den Motor über tragen werden. Um diese Rück-Antriebswirkung zu verhin dern, ist gewöhnlich eine Freilaufkupplung zwischen der Ausgangswelle des Motors und der Eingangswelle der ge triebenen Einrichtung eingebaut. Eine typische Zweirich tungs-Freilauf-Kupplung hat ein Eingangs-Joch, das mit einem Paar gegenüberliegender Bremsschuhe verbunden ist, die in einer hohlen zylindrischen Bremstrommel angeordnet sind. Die Bremsschuhe haben allgemein halbkreisförmige Ge stalt mit gekrümmten Bremsflächen, die der inneren Ober fläche der Bremstrommel entsprechen. Ein Paar Antriebs zapfen ist zwischen den Bremsschuhen gewöhnlich parallel ausgerichtet eingebaut. Die Antriebszapfen erstrecken sich in Öffnungen im Ausgangsteil.

Unter normalen Betriebsbedingungen dreht das Eingangsjoch die Bremsschuhe, die Antriebszapfen und die Ausgangswelle innerhalb der Bremstrommel, wodurch ein Drehmoment auf die angetriebene Einrichtung übertragen wird. Wenn jedoch die getriebene Einrichtung versucht, ein Rückmoment auf die Kupplung zu übertragen, werden die Antriebs zapfen durch das Ausgangsteil schräg gestellt. Als Folge hiervon werden die Bremsschuhe voneinander weg gespreizt in sperrenden Reibungseingriff mit der Innen fläche der Bremstrommel. Auf diese Weise verhindert die Kupplung einen Rückantrieb des Motors durch die getriebene Einrichtung.

Die Bremsschuhe sind gewöhnlich mit gehärteten verschleiß festen Einsätzen versehen. Die Einsätze sind in entspre chenden Schlitzen angeordnet, welche in den gekrümmten äußeren Bremsflächen der Bremsschuhe ausgebildet sind. Wenn die Bremsschuhe voneinander weg bewegt werden während des Bremsvorganges wie oben beschrieben, treten die Ein sätze in Reibungseingriff mit der inneren Oberfläche der Bremstrommel. Die Einsätze sind vorgesehen, um den Ver schleiß und die Reparaturkosten zu reduzieren, wenn die Bremsflächen abgenützt sind. Bisher sind diese Einsätze aus massivem Wolfram-Carbid hergestellt worden.

Obwohl Einsätze aus diesem Material zufriedenstellend ar beiten, sind sie sehr schwierig herzustellen. Die extreme Härte von Wolfram-Carbid macht es sehr schwierig, die Einsätze auf die richtigen Abmessungen zu schleifen. Wegen der Art des Materials selbst und der Schwierigkeiten bei der Bearbeitung dieses Materials sind Einsätze aus Wolfram-Carbid deshalb sehr teuer. Gegenwärtig kann ein einziger Einsatz aus massivem Wolfram-Carbid bis zu 20 Dollar kosten. Es ist daher erwünscht, einen Einsatz zu schaffen, der aus einem weniger teuren Material besteht, und der leichter als Wolf ram-Carbid zu bearbeiten ist, der jedoch ebenfalls zufrie denstellend in Zweirichtungs-Freilauf-Kupplungen ein gesetzt werden kann. Alternativ wäre eine Freilauf kupplung ohne jegliche Einsätze erwünscht.

Die Erfindung befaßt sich nun mit einem verbesserten gehärteten Einsatz und einem Bremsschuh zur Verwendung in Zweirichtungs-Freilaufkupplungen. Die Einsätze be stehen aus einem Basismaterial aus einem legierten Werk zeugstahl, der relativ billig und leicht zu bearbeiten ist. Das Basismaterial wird in die gewünschte Form für den Einsatz gebracht, dann gehärtet und getempert mit tels konventioneller Verfahren, um eine gewünschte Här te zu erreichen. Danach wird eine Schicht aus Titan- Nitrid auf den Einsatz aufgebracht mittels eines physi kalischen oder eines chemischen Dampf-Niederschlags-Pro zesses. Die Titan-Nitrid-Schicht gibt dem Einsatz eine sehr harte Oberfläche, so daß er für Freilaufkupplungen verwendet werden kann. In einer anderen Ausführungsform werden die Bremsschuhe in der oben beschriebenen Weise hergestellt, wobei dann keine Einsätze in der Kupplung verwendet werden.

Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, einen gehärteten Einsatz zur Verwendung mit einem konventionel len Bremsschuh in einer Zweirichtungs-Freilaufkupplung zu schaffen.

Der Einsatz soll leichter in der Herstellung und billiger als bisherige Einsätze sein. Schließlich soll ein verbes serter gehärteter Bremsschuh geschaffen werden zur Verwen dung in einer Zweirichtungs-Freilaufkupplung, bei welchem keine Einsätze benötigt werden.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der Fig. 1 in auseinandergezogener perspekti vischer Darstellung eine Zweirichtungs- Freilauf-Kupplung zeigt mit einer Mehr zahl von verbesserten gehärteten Einsätzen nach der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen der Ein sätze nach Fig. 7.

Fig. 3 ist ein Schnitt längs der Linie 3-3 von Fig. 2.

Fig. 4 zeigt in auseinandergezogener perspekti vischer Darstellung eine Zweirichtungs- Freilauf-Kupplung mit einem Paar verbes serter gehärteter Bremsschuhe nach der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Zweirichtungs-Freilauf-Kupplung 10 dar gestellt. Der Basisaufbau und die Wirkungsweise der Kupplung 10 ist im Detail in der US-PA No. 07/4 30 811 beschrieben. Die Kupplung 10 ist zwischen einer Eingangswelle 11 und ei ner Ausgangswelle 12 eingebaut. Die Eingangswelle 11 ist mit einer Feder oder einem Keil 21 versehen, der mit einer komplementär geformten Öffnung 22 zusammenwirkt, die in einem Eingangsjoch 13 ausgebildet ist. Das Eingangsjoch 13 hat zwei beabstandete axial verlaufende Vorsprünge 23 und 24. Das Eingangsjoch 13 ist so bemessen, daß wenigstens die Vorsprünge 23 und 24 in eine zentrale Öffnung 25 hineinragen, die in einer Bremstrommel 14 ausgebildet ist. Eine Nut 26 oder eine andere geeignete Einrichtung ist an der Bremstrommel 14 vor gesehen, um diese an einer nicht gezeigten Stützfläche zu haltern, um eine Drehung zu verhindern.

Ein Paar Bremsschuhe 15 und 16 ist in der Bremstrommel 14 eingebaut. Die Bremsschuhe 15 und 16 haben allgemein die Gestalt halbkreisförmiger Segmente mit gekrümmten Außenflächen 27. Der Schuh 15 hat eine äußere ebene Fläche 32, die mit einer entsprechenden ebenen Fläche 33 am Vor sprung 23 des Eingangsjoches zusammenwirkt. In gleicher Weise hat der Schuh 16 eine äußere flache Oberfläche 34, die mit einer entsprechenden flachen Oberfläche 35 zusammen wirkt, welche am Vorsprung 24 des Eingangsjoches ausgebildet ist. Die Bremsschuhe 15 und 16 haben entsprechende innere ebene Flächen 30 und 31, die aufeinander zu gerichtet sind, und die einen kleinen Abstand haben, wenn die Kupplung 10 zusammengebaut ist. Eine Feder 17 ist zwischen den beiden Bremsschuhen 15 und 16 angeordnet, um diese nach außen von einander wegzudrücken. Ein Ende der Feder 17 ist in einer Ausnehmung 36 angeordnet, die in der Mitte der inneren Fläche 31 ausgebildet ist, während das andere Ende in einer ähnlichen Ausnehmung (nicht gezeigt) liegt, welche in der inneren Fläche 30 ausgebildet ist.

Zwei halbkreisförmige Nuten 37 und 38 sind in der inneren Fläche 30 des Bremsschuhs 15 ausgebildet, während zwei gleiche halbkreisförmige Nuten 39 und 40 der Innenfläche 31 des Brems schuhs 16 ausgebildet sind. Wenn die Bremsschuhe 15 und 16 zusammengebaut sind, fluchten die Nuten 37 und 39 und die Nuten 38 und 40 entsprechend, um zwei zylindrische Öffnungen zwischen den Schuhen 15 und 16 zu bilden. Ein Paar Ausgangs zapfen 18 und 19 ist innerhalb der Öffnungen angeordnet. Jeder der Zapfen 18 und 19 hat einen Schenkel 42 mit einem ersten Ende 41 und einem zweiten Ende 43. Eine erste ring förmigen Rippe 45 mit vergrößertem Durchmesser ist um den Schenkel 42 nahe von dessen Zentrum gebildet, während eine zweite ringförmige Rippe 44 mit vergrößertem Durch messer um den Schenkel 42 angrenzend an sein zweites En de 43 gebildet ist. Die ringförmigen Rippen 44 und 45 sind so bemessen und haben einen solchen Abstand vonein ander, daß sie innerhalb der zylindrischen Öffnungen liegen, welche zwischen den Bremsschuhen 15 und 16 gebildet werden, wenn die Kupplung 10 zusammengebaut ist.

Ein Ausgangselement 20 ist vorgesehen mit einer verzahnten zentralen Bohrung 46 zur Verbindung mit der Ausgangswelle 12. Ein Paar Öffnungen 47 und 48 ist ebenfalls durch das Ausgangselement 20 gebildet. Die Öffnungen 47 und 48 fluch ten mit den Ausgangszapfen 18 und 19, so daß deren Köpfe 41 in diesen aufgenommen sind. Das Zusammenwirken der Aus gangszapfen 18 und 19 mit dem Ausgangselement 20 bewirkt die gewünschte Rückmoment-Stoppwirkung für die Kupplung 10.

Die Außenflächen der Bremsschuhe 15 und 16 sind mit relativ kleinen halbzylindrischen Ausnehmungen versehen, wie bei 29 gezeigt ist. Innerhalb jeder der Ausnehmungen 29 ist ein Einsatzstück 28 angeordnet. Der Aufbau von einem der Einsatzstücke 28 ist deutlicher in den Fig. 2 und 3 dar gestellt. Wie gezeigt, hat der Einsatz 28 eine halbzylindri sche Form mit einer gekrümmten Oberfläche 28a und einer schwach gekrümmten Oberfläche 28b. Während des Betriebs wenn die Einsätze 28 in den Bremsschuhen 15 und 16 einge baut sind, rotieren sie innerhalb der Ausnehmungen 29, so daß die leicht gekrümmten Oberflächen 28b in Reibungsein griff treten mit der inneren Oberfläche der Bremstrommel 14, wenn die Bremsschuhe 15 und 16 während der Freilauf wirkung der Kupplung 10 auseinander bewegt werden. Diese Bewegung gewährleistet eine gleichmäßige Belastung der Eingriffsflächen der Einsätze 28 und der Bremstrommel 14. Als Folge hiervon sind die Betriebskennzeichen der Kupplung 10, wie z. B. Eingangsspiel, Ausgangsspiel und Wirkungsgrad weniger anfällig gegen eine Verschlechterung infolge Verschleisses der Kontaktflächen. Die Einsätze 28 können ferner leicht ersetzt werden, wenn ein zu hoher Verschleiß auftritt.

Ein wichtiges Element der Erfindung liegt insbesondere im Aufbau der Einsätze 28. Jeder Einsatz besteht aus einem Basismaterial aus Werkzeugstahl, beispielsweise M2-Stahl. Dieser oder ein ähnliches Material wird verwendet, weil er eine relativ hohe Glühtemperatur hat, wie noch erläutert wird. Beispielsweise liegt die Glühtemperatur von M2-Stahl bei etwa 538°C (1000° F) . Das Basismaterial wird zunächst in beliebig konventioneller Weise in die gewünschte Form für den Einsatz 28 gebracht. Zweckmäßig wird ein langge streckter Streifen des Materiales mit dem gewünschten Querschnitt für die Einsätze 28 abgezogen worauf der Strei fen in kurze Abschnitte geschnitten wird, um die Einsätze 28 zu bilden. Danach werden die abgeschnittenen Einsätze 28 gehärtet und getempert unter Anwendung eines beliebig ge eigneten Verfahrens. Die Einsätze 28 werden vorzugsweise gehärtet auf eine Härte innerhalb eines Bereiches von etwa 62-65 auf der Rockwell-C-Skala.

Danach werden die gehärteten Einsätze 28 mit einer dünnen Schicht aus Titan-Nitrid überzogen. Die Titan-Nitrid Schicht kann durch jeden geeigneten Prozeß aufgebracht werden, bei spielsweise durch physikalischen Dampfniederschlag oder durch chemischen Dampfniederschlag. Die Dicke der Schicht liegt vorzugsweise im Bereich von 0,0025 mm-0,0050 mm auf den gesamten Oberflächen des Einsatzes 28, um eine Oberflächen härte von etwa 85 auf der Rockwell-C-Skala zu erzeugen. Die Titan-Nitrid Schicht wird zweckmäßigerweise bei einer erhöhten Temperatur beispielsweise im Bereich von etwa 232°C (450° F) aufgebracht. Es wird vorgezogen, daß die Glüh temperatur des Basismateriales etwas höher ist als diese Temperatur, um zu verhindern, daß das Basismaterial er weicht während des Aufbringens der Titan-Nitrid Schicht.

Der so gebildete Einsatz 28 ist beträchtlich einfacher herzustellen und bedeutend billiger als bisherige Ein sätze aus massivem Wolfram-Carbid. Ein Einsatz 28 aus mit Titan-Nitrid beschichtetem Stahl kostet etwa 4-5 Dollar im Gegensatz zu etwa 20 Dollar für einen der bis herigen Einsätze aus massivem Wolfram-Carbid. Es wurde festgestellt, daß die mit Titan-Nitrid beschichteten Stahleinsätze 28 in Kupplungen 10 einwandrei arbeiten, sie haben jedoch noch zwei weitere wichtige Vorteile. Erstens scheint die Titan-Nitrid Schicht Trocken-Schmier- Eigenschaften zu haben, welche die Reibung (und demzufolge die Abnützung) reduzieren, wenn die Kupplung normal arbeitet, das heißt nicht im Freilaufbetrieb. Die Kupplung 10 braucht daher nicht so häufig gewartet zu werden. Zweitens scheint die Verwendung des weicheren Basismaterials in Verbindung mit dem Titan-Nitrid Überzug es zu erlauben, die Kupplung 10 mit etwas höheren Drehzahlen rotieren zu lassen, ohne das ein unerwünschtes Rattern auftritt. Die Kupplung 10 kann daher auch für höhere Drehzahlen als bisher angenommen eingesetzt werden.

Fig. 4 zeigt eine auseinandergezogene perspektivische Dar stellung einer alternativen Ausführungsform einer Zweirichtungs- Freilaufkupplung 10′ nach der Erfindung. Der Aufbau der Kupp lung 10′ ist ähnlich dem der Kupplung 10 und gleiche Bezugs zeichen werden für gleiche Teile benutzt. Die Kupplung 10′ hat ein Paar verbesserter gehärteter Bremsschuhe 15′ und 16′, die in der Bremstrommel 14 eingebaut sind. Die Bremsschuhe 15′ und 16′ haben allgemein die Form halbkreisförmiger Seg mente mit gekrümmten äußeren Flächen 27′. Die gebogenen Außenflächen 27′ sind allgemein so geformt, daß sie der bogenförmigen Innenfläche 25 der Bremstrommel 14 angepaßt sind. Keine Nuten oder Einsätze sind in den Oberflächen 17′ vorgesehen wie bei den bogenförmigen Oberflächen 27 der Bremsschuhe 15 und 16 nach den Fig. 1-3.

Jeder der Bremsschuhe 15′ und 16′ kann zweckmäßigerweise aus demselben Material und in derselben Weise hergestellt werden wie die oben beschriebenen Einsatzstücke 28. Die Bremsschuhe 15′ und 16′ werden somit aus einem Basismaterial aus legiertem Werkzeugstahl gebildet, wie z. B. M2-Stahl und dann mit einer Schicht aus Titan-Nitrid beschichtet. Die ge krümmten Außenflächen 27′ der Bremsschuhe 15′ und 16′ tre ten direkt in Eingriff mit der bogenförmigen Innenfläche 25 der Bremstrommel 14 während des Betriebs.

Vorstehend wurden Prinzip und Wirkungsweise von bevorzug ten Ausführungsformen der Erfindung erläutert. Die Erfindung kann jedoch auch abweichend von den spezifischen beschrie benen Ausführungsformen ausgeführt werden.

Claims

1. Einsatz für eine Freilaufkupplung, gekennzeichnet durch ein Basismaterial mit gewünschter Form und mit einer Härte im Bereich von etwa 62-65 auf der Rockwell-C-Skala, daß ferner der Einsatz aus dem ge härteten Basismaterial mit einer Schicht aus Titan- Nitrid beschichtet ist, um eine Oberflächenhärte von etwa 85 auf der Rockwell-C-Skala zu erzeugen.

2. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in Verbindung mit einem Bremsschuh in der Freilauf kupplung verwendbar ist.

3. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er in Form eines Bremsschuhs zur Verwendung in der Freilaufkupplung ausgebildet ist.

4. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Dicke seiner Beschichtung im Bereich von 0,0025-0,005 mm liegt.

5. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial in die gewünschte Form gebracht wird durch Abziehen eines langgestreckten Streifens des Ba sismaterials mit dem gewünschten Querschnitt für den Einsatz und Abschneiden des Streifens in kürzere Stücke.

6. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Titan-Nitrid auf das gehärtete Basismaterial mittels eines physikalischen Dampf- Niederschlags-Verfahrens aufgebracht wird.

7. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht aus Titan-Nitrid auf das gehärtete Basismaterial mittels eines chemischen Dampf-Nieder schlags-Verfahrens aufgebracht wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Bremsschuhes für eine Frei laufkupplung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein Basismaterial in eine gewünschte Form für den Bremsschuh gebracht wird;
b) das geformte Basismaterial auf eine gewünschte Härte gehärtet wird; und
c) das gehärtete Basismaterial mit einer Schicht aus Titan nitrid beschichtet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial eine relativ hohe Glühtemperatur hat.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (c) mittels eines physikalischen Dampf niederschlagsverfahrens ausgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (c) mittels eines chemischen Dampfnieder schlagsverfahrens ausgeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung im Bereich von 0,0025 bis 0,0050 mm liegt.

13. Verfahren zur Herstellung eines Bremsschuhes für eine Frei laufkupplung, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) ein Basismaterial in eine gewünschte Form für den Brems schuh gebracht wird;
b) daß das geformte Basismaterial gehärtet wird auf eine Härte im Bereich von etwa 62 bis 65 auf der Rockwell C-Skala;
c) und daß das gehärtete Basismaterial mit einer Schicht aus Titannitrid beschichtet wird, um eine Oberflächen härte von etwa 85 auf der Rockwell C-Skala zu erzeugen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Basismaterial eine relativ hohe Glühtemperatur hat.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (c) durch physikalisches Niederschlags verfahren aus der Dampfphase durchgeführt wird.

16. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (c) mittels eines chemischen Niederschlags verfahrens aus der Dampfphase durchgeführt wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Beschichtung im Bereich von etwa 0,0025 bis 0,0050 mm liegt.