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Die vorliegende Erfindung betrifft Freilaufkupplungen,
die einen inneren Laufring und einen äußeren Laufring und
zwischen den Laufringen liegende Hemmschuhe umfassen.
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Die Erfindung betrifft insbesondere Freilaufkupplungen
mit zentrifugaler Abhebung, die in der Technik wohlbekannt
sind.
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Freilaufkupplungen, die einen zentrifugalen
Abhebevorgang verwenden, um eine Abhebung der Hemmschuhe
vom äußeren Laufring zu bewirken, sind bekannt. Die
Hemmschuhe sind in eine Einrückung in beide Laufringe
vorbelastet, um eine Keilwirkung zu erzielen, was eine
Drehung der Laufringe relativ zueinander in einer ersten
Richtung verhindert. Eine relative Drehung der Laufringe in
einer zweiten Richtung (Freilauf) ist gestattet. Bei einer
bestimmten relativen Winkelgeschwindigkeit in der zweiten
Richtung wächst die auf die Hemmschuhe wirkende
Zentrifugalkraft aufgrund der durch die asymmetrische
Geometrie geschaffenen Unbalanzmasse auf eine Größe, die
die Hemmschuhe dazu veranlaßt, so um eine Achse zu
schwenken, daß zwischen den Hemmschuhen und dem äußeren
Laufring ein Zwischenraum entsteht.
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Der Vorteil von Kupplungen mit zentrifugaler Abhebung
liegt darin, daß die Abnutzung der Hemmschuhe gegen den in
Kontakt stehenden Laufring während des Freilaufs verringert
wird. Während die Hemmschuhe schwenken, um von einem
Laufring abzuheben, erhöht sich jedoch in der Regel die
Vorbelastungskraft, die die Hemmschuhe in die verriegelte
Position treibt. Das führt zu einer verlängerten Abhebezeit
über einen Winkelgeschwindigkeitsbereich, während derer die
Zentrifugalkraft die wachsende federnde Vorbelastungskraft
überwindet, was zur Folge hat, daß immer noch eine gewisse
Abnutzung auftritt.
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Das Dokument US-A-5046037 beschreibt eine in einer
Richtung wirkende Freilaufkupplung, bei der Hemmschuhe bei
einer vorgegebenen Drehgeschwindigkeit eines inneren
Laufrings automatisch aus einem äußeren Laufring ausrücken.
Jeder Hemmschuh weist asymmetrische Kipplippenteile auf,
die eine Unbalanzmasse schaffen. Die Unbalanzmasse
veranlaßt zunehmende Kippbewegungen der Hemmschuhe, die bei
der vorgegebenen Drehgeschwindigkeit des inneren Laufrings
eine vorbelastende Federkraft überwinden. Jeder Hemmschuh
weist Messerschneidenansätze auf, die sich radial nach
außen bewegen, um an einem Rand eines Stützgehäuses
anzuliegen, und um die der Hemmschuh während des Abhebens
vom äußeren Laufring kippt.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den
oben genannten Nachteil zu umgehen bzw. zu mildern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine
Freilaufkupplung vorgesehen, die folgendes umfaßt: einen
Laufring, eine Mehrzahl von Hemmschuhen, die schwenkbar in
einem Gehäuse gehalten sind, das konzentrisch zum genannten
Laufring liegt, wobei die Hemmschuhe eine in den Laufring
einrückende Oberfläche aufweisen, und ein federndes Mittel,
das die Hemmschuhe in Kontakt mit dem Laufring treibt,
indem es an einem Angriffspunkt ein Treibkräftepaar auf die
Hemmschuhe überträgt, wodurch dann, wenn eine Drehung des
Gehäuses in einer ersten Richtung relativ zum Laufring
versucht wird, die Hemmschuhe sich in eine eingerückte
Stellung bewegen, um die genannte Drehung zu verhindern,
und dann, wenn eine Drehung des Gehäuses und der Hemmschuhe
in eine zweite Richtung relativ zum Laufring versucht wird,
auf jeden der Hemmschuhe eine Zentrifugalkraft wirkt, die
ein Zentrifugalkräftepaar überträgt, um ihn in eine nicht
eingerückte Stellung zu schwenken, um eine Drehung des
Gehäuses und der Hemmschuhe zu ermöglichen, wobei der
Schwerpunkt jedes Hemmschuhs so angeordnet ist, daß sich
während des Schwenkens jedes Hemmschuhs das
Zentrifugalkräftepaar schneller vergrößert als das
Treibkräftepaar, dadurch gekennzeichnet, daß der
Schwerpunkt jedes Hemmschuhs relativ zu einem festen
Schwenkzentrum des Hemmschuhs radial nach innen angeordnet
ist, so daß sich die lotrechte Entfernung des Schwerpunktes
vom Schwenkzentrum während des Schwenkens jedes Hemmschuhs
vergrößert, was eine entsprechende Vergrößerung des
Zentrifugalkräftepaars veranlaßt, und sich die lotrechte
Entfernung des Angriffspunktes des federnden Mittels vom
Schwenkzentrum während des Schwenkens verringert.
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Die Kupplung umfaßt ferner bevorzugt einen inneren und
einen äußeren Laufring, zwischen denen die Hemmschuhe und
das Gehäuse angeordnet sind, wobei die Hemmschuhe in der
genannten eingerückten Stellung sowohl mit dem inneren als
auch mit dem äußeren Laufring in Kontakt stehen und in der
genannten nicht eingerückten Stellung die Hemmschuhe aus
dem Kontakt mit einem der Laufringe herausschwenken.
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Der innere Laufring kann Teil der Freilaufkupplung
sein, oder er kann auf einer Welle oder dergleichen
ausgebildet sein, auf der sich die Kupplung befindet.
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Das federnde Mittel ist bevorzugt eine endlose
Schraubenfeder, die peripher um die Hemmschuhe herum
angeordnet ist und bevorzugt in einer Aussparung in jedem
Hemmschuh liegt.
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Die endlose Schraubenfeder ist bevorzugt eine
Spannfeder, die in der Aussparung wirkt, die relativ zum
Schwenkzentrum des Hemmschuhs radial nach außen angeordnet
ist.
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Die Hemmschuhe schwenken bevorzugt aus dem Kontakt mit
dem äußeren Laufring heraus.
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Es wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
ein spezifisches Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung beschrieben. In den Zeichnungen zeigen
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Figur 1 eine bruchstückartige Ansicht einer
Freilaufkupplung, in der auf jeden Hemmschuh wirkende
Kräfte angezeigt sind; und
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Figur 2 eine stirnseitige Ansicht eines Hemmschuhs aus
Figur 1 in der Richtung des Pfeils Y.
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Es wird nun auf Figur 1 Bezug genommen, in der ein
Teil einer Freilaufkupplung mit einem inneren und einem
äußeren Laufring 1, 2 gezeigt ist, die um eine zentrale
(nicht gezeigte) Achse drehbar sind. Im ringförmigen Raum
zwischen den Laufringen 1, 2 ist eine Mehrzahl von
Hemmschuhen 3 angeordnet, die jeweils auf Drehzapfen 4 um
eine Achse durch den Punkt C (die in Figur 1 in die
Blattebene geht) schwenkbar sind. Aus Gründen der
Anschaulichkeit sind in Figur 1 lediglich zwei Hemmschuhe 3
gezeigt. Die Drehzapfen 4 erstrecken sich seitlich auf
beiden Seiten des Hemmschuhs 3 und sind in Öffnungen in
einem (nicht gezeigten) Gehäuse aufgenommen.
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Wie in der Technik wohlbekannt ist, weisen die
Hemmschuhe 3 bogenförmige, in die Laufringe einrückende
Oberflächen 5 auf und sind asymmetrisch geformt. Die
Geometrie des Hemmschuhs 3 sorgt für eine peripher
unbalanzierte Masse, was daraus resultiert, daß der
Schwerpunkt G vom Drehzentrum c beabstandet ist.
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Jeder Hemmschuh 3 weist eine Aussparung 6 auf, die
sich radial von der äußeren Oberfläche des Hemmschuhs 3
nach innen erstreckt, wobei die Aussparung 6 dazu ausgelegt
ist, eine periphere endlose Schraubenfeder 7 aufzunehmen.
Die Bodenoberfläche der Aussparung 6 umfaßt zwei geneigte
Oberflächen 6a, 6b, die sich an einer Kante S treffen. Es
ist diese Kante S, an der die endlose Schraubenfeder 7 mit
dem Hemmschuh 3 in Kontakt steht.
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Der Betrieb der Freilaufkupplung wir nun mit Bezug auf
Figur 1 beschrieben. Der Übersichtlichkeit halber wird der
Betrieb so beschrieben, daß der äußere Laufring 2 ortsfest
bleibt und der innere Laufring 1 sich relativ dazu dreht.
Die Hemmschuhe 3 und ihr Gehäuse drehen sich mit dem
inneren Laufring 1.
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Beim Betrieb drängt die endlose Schraubenfeder 6 (was
durch den Pfeil FK angedeutet ist) jeden Hemmschuh 3 dazu,
gegen den Uhrzeigersinn in Kontakt mit den beiden
Laufringen 1, 2 zu schwenken. Wenn versucht wird, den
inneren Laufring 1 im Uhrzeigersinn relativ zum äußeren
Laufring 2 zu drehen, dann veranlassen die Reibungskräfte
zwischen den Hemmschuhoberflächen 5 und den Oberflächen der
Laufringe 1, 2 den Hemmschuh 3 dazu, sich gegen den
Uhrzeigersinn in die Keilstellung zu drehen, so daß eine
weitere Drehung verhindert wird.
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Wenn der innere Laufring 1 sich gegen den
Uhrzeigersinn dreht, drehen sich der Hemmschuh 3 und die
Gehäuseeinheit mit ihm, und eine Zentrifugalkraft (die
durch den Pfeil ZK angedeutet ist) wirkt radial nach außen
am Schwerpunkt G jedes Hemmschuhs 3, was ein Kräftepaar im
Uhrzeigersinn hervorruft. Das Kräftepaar ZK wirkt so, daß
es den Hemmschuh 3 im Uhrzeigersinn relativ zum Gehäuse und
den Laufringen 1, 2 um sein Drehzentrum C schwenkt. Das
Zentrifugalkräftepaar ZK wirkt gegen das von der endlosen
Schraubenfeder übertragene Kräftepaar FK, und bei einer
vorgegebenen Winkelgeschwindigkeit der Drehung wird es groß
genug, um die Federkraft FK zu überwinden, und der
Hemmschuh 3 beginnt zu schwenken. Indem er so schwenkt,
hebt der Hemmschuh 3 vom äußeren Laufring 2 ab.
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Der Schwerpunkt G jedes Hemmschuhs 3 ist dazu
ausgelegt, relativ zur Lage des Drehzentrums C radial innen
zu liegen. Während der Hemmschuh 3 beim Abheben im
Uhrzeigersinn schwenkt, wird aufgrund der Bewegung des
Punktes S radial nach außen die endlose Schraubenfeder 6
ausgedehnt. Das hat zur Folge, daß sich das
Federspannungskräftepaar FK vergrößert, das auf den
Hemmschuh 3 angewandt wird und das vom
Zentrifugalkräftepaar ZK überwunden werden muß, um ein
Abheben zu erreichen. Während der Hemmschuh 3 schwenkt,
bewegt sich der Schwerpunkt von G zu G'. Dabei vergrößert
sich die lotrechte Entfernung X zwischen dem Drehzentrum C
und dem Schwerpunkt G auf eine Entfernung W, was zur
Vergrößerung des Zentrifugalkräftepaars ZK führt. Die
Vergrößerung des Zentrifugalkräftepaars ZK geht während des
Schwenkens des Hemmschuhs 3 schneller vonstatten als die
des Federkräftepaars FK, was den Hemmschuh 3 dazu
veranlaßt, in einem 'Schnappvorgang' zu schwenken, um vom
äußeren Laufring 2 abzuheben.
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Auf diese Weise vollzieht sich eine schnelle
Abhebebewegung über einen sehr kleinen
Winkelgeschwindigkeitsbereich. Der Schnappvorgang reduziert
die Abnutzung zwischen dem Hemmschuh 3 und dem äußeren
Laufring 2 während des Freilaufs auf ein Minimum.
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Es versteht sich, daß das zentrifugale Kräftepaar am
besten während des ganzen Schwenkvorgangs des Hemmschuhs
aufrechterhalten wird, wenn der Schwerpunkt des Hemmschuhs
wie oben beschrieben positioniert ist. Die wesentliche
Bedingung ist jedoch, daß die Vergrößerung des
Zentrifugalkräftepaars schneller vonstatten geht als die
des Federkräftepaars.
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Eine Folge des Schnappvorgangs beim Abheben besteht
darin, daß sich das Federkräftepaar augenblicklich auf
einen Wert verringert, der unter dem des
Zentrifugalkräftepaars liegt, durch den es ausgelöst wurde.
Danach muß die Geschwindigkeit unter die
Abhebegeschwindigkeit verringert werden, damit das
Zentrifugalkräftepaar unter dieses verringerte
Federkräftepaar fällt, um zu ermöglichen, daß ein "Anhebe"-
Vorgang beginnt. Auf diese Weise vollzieht sich das Anheben
des Hemmschuhs zurück an den Laufring bei einer geringeren
Drehgeschwindigkeit als das Abheben.
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Der zähe Rücktrieb, der im Schmiermittel zwischen dem
Hemmschuh und dem äußeren Laufring auftritt, hilft beim
Abhebevorgang und verringert sowohl die Abhebe- als auch
die Anhebegeschwindigkeit. Der Drehzapfen ist so
positioniert, daß dieser Nutzeffekt optimiert wird.
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Der Nutzeffekt des zähen Rücktriebs und der
Unterschied zwischen der Abhebe- und der
Anhebegeschwindigkeit ist besonders bei Antrieben mit
variabler Geschwindigkeit von Vorteil, bei denen die
Geschwindigkeitsschwankung unter die anfängliche
Abhebegeschwindigkeit sinken kann, ohne daß die Kupplung
neu einrückt.
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Bei Verwendung einer spezifischen
Freilaufkupplungskonstruktion beträgt die erforderliche
Geschwindigkeit zur Einleitung des Abhebevorgangs zum
Beispiel 620,7 Umin&supmin;¹. Der Hemmschuh hebt in einem
Schnappvorgang wie oben beschrieben ab, indem er um 30º
schwenkt. Wenn der Hemmschuh abgehoben hat, erzeugt jede
Drehgeschwindigkeit oberhalb von 593,3 Umin&supmin;¹ ein
Zentrifugalkräftepaar, das größer ist als das
Federkräftepaar, so daß der Hemmschuh in der abgehobenen
Stellung gehalten wird. Sobald die Geschwindigkeit auf
weniger als 593,3 Umin&supmin;¹ verringert wird, wird der Hemmschuh
auf dem Laufring "angehoben". Der Unterschied zwischen der
Abhebe- und der Anhebegeschwindigkeit kann variiert werden,
indem die Lage des Schwerpunktes G und der
Federkontaktstellen bewegt wird und die Federeigenschaften
geändert werden.