EP4743685A1 - Freilaufelement - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Freilaufelement (4) mit einer Mehrzahl von Klemmkörpern (10) und einem Käfig (5), wobei der Käfig (5) entlang seines Umfangs äquidistant verteilte, axial verlaufende Stege (8) sowie Taschen, in welchen jeweils einer der Klemmkörper (10) aufgenommen ist, aufweist; die Stege (8) eine höhere Elastizität als die Klemmkörper (10) besitzen; und die Stege (8) mit einem in axialer Richtung gesehen u-förmigen Querschnitt ausgebildet sind.

Description

Freilaufelement

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Freilaufelement.

Freilaufelemente finden beispielsweise in Richtungskupplungen Anwendung, die in eine Richtung ein Drehmoment durch Kraftschluss übertragen bzw. abstützen und in der Gegenrichtung einen Leerlauf zulassen. Bei Klemmkörperfreiläufen befinden sich hierbei innerhalb eines Klemmspaltes Klemmkörper in der sog. Klemmstellung oder Klemmposition, wenn sie das Drehmoment kraftschlüssig, d.h. reibschlüssig, übertragen und in der sog. Freilaufstellung oder Freilaufposition, wenn sie Leerlauf zulassen.

Herkömmliche Klemmkörperfreiläufe weisen neben den Klemmkörpern unter anderem einen Klemmkörperkäfig (im Folgenden auch einfach Käfig genannt), in den die Klemmkörper aufgenommen werden und metallische Federn auf, die die Klemmkörper mittels Federkraft in Position halten (sog. Anfedern der Klemmkörper). Derartige Klemm körperfrei läufe bekannter Bauart bestehen daher aus mindestens drei verschiedenen Komponenten, was einen entsprechend hohen Fertigungsaufwand nach sich zieht. Der in EP 2 660 488 A1 beschriebene Klemmkörperfreilauf hingegen kann auf metallische Federn verzichten. Dort erfolgt die Anfederung durch elastisch ausgebildete Stege des Käfigs. Nachteilig in EP 2 660 488 A1 ist jedoch, dass der durch die elastischen Stege erzielbare Federweg relativ gering ist. Dies hat zur Folge, dass die Toleranzanforderungen an die Elemente des Klemmkörperfreilaufs und an die durch den Klemmkörperfreilauf verbundenen Bauteile hoch sind. Zusätzlich führen beispielsweise im Betrieb des Klemmkörperfreilaufs auftretende Exzentritäten dazu, dass der Klemmspalt variiert und einzelne Klemmkörper ein erhöhtes Schleppmoment erzeugen, während andere Klemmkörper nicht mehr ausreichend angefedert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfach aufgebautes Freilaufelement zur Verfügung zu stellen, das über einen relativ großen Toleranzbereich und auch bei im Klemmspalt auftretenden Exzentritäten funktionsfähig bleibt.

Diese Aufgabe wird durch ein Freilaufelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Freilaufelements sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Freilaufelement besitzt eine Mehrzahl von Klemmkörpern und einen Käfig. Der Käfig weist entlang seines Umfangs äquidistant verteilte, axial verlaufende Stege sowie Taschen, in welchen jeweils einer der Klemmkörper aufgenommen ist, auf. Die Stege besitzen eine höhere Elastizität als die Klemmkörper und die Stege sind mit einem in axialer Richtung gesehen u-förmigen Querschnitt ausgebildet.

Durch die im Vergleich zu den Klemmkörpern höhere Elastizität der Stege des Klemmkörperkäfigs wirken diese als federnde Elemente. Daher können durch einen derartigen Aufbau die metallischen Federn entfallen, was zu einem besonders einfach aufgebauten und einfach zu fertigenden Klemmkörperfreilauf führt. Unter „höhere Elastizität“ wird hierbei verstanden, dass die Stege aus einem Werkstoff gefertigt sind, der ein höheres elastisches Verhalten besitzt als der Werkstoff, aus dem die Klemmkörper gefertigt sind. Die Klemmkörper sind bevorzugt aus einem metallischen Material, z.B. aus einem Stahlwerkstoff, gefertigt. Entsprechend weisen die Stege dann eine Elastizität auf, die größer ist als die Elastizität von metallischen Werkstoffen. Durch den in axialer Richtung gesehen u-förmigen Querschnitt der Stege wird der mögliche Federweg erhöht. Mit anderen Worten wirkt der Steg ähnlich einer Biegefeder. Die Positionierung der Klemmkörper muss daher weniger exakt erfolgen und ist weniger anfällig gegenüber Exzentritäten des Klemmspaltes oder Maßungenauigkeiten der Anschlussbauteile. Auf diese Weise ist das Freilaufelement insbesondere auch für dünnwandige Anschlussbauteile geeignet.

In bevorzugter Weise zeigt die Öffnung des u-förmigen Querschnitts in radialer Richtung nach innen oder außen. Durch eine derartige Orientierung des Querschnitts können die seitlichen Endbereiche eines jeden Steges von den jeweils benachbarten Klemmkörpern kontaktiert werden und die federnde Wirkung der Querschnittsform kann maximal ausgenutzt werden.

In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Freilaufelement ferner mindesten ein Käfigbord auf und jeder Steg ist durch einen Drehfederstab mit dem Käfigbord verbunden. Mit anderen Worten ist zwischen dem Käfigbord und dem Steg jeweils ein Drehfederstab angeordnet. Auf diese Weise kann sich der Steg relativ zum Käfigbord verdrehen. Der Drehfederstab wirkt also wie eine Torsionsfeder. Dadurch wird das Freilaufelement noch weniger anfällig gegenüber Exzentritäten des Klemmspaltes oder Maßungenauigkeiten der Anschlussbauteile.

Der Verbindungspunkt zwischen dem Steg und dem Drehfederstab kann hierbei in einem Endbereich des u-förmigen Querschnitts erfolgen. Dies führt dazu, dass sich die Biegfederwirkung des Steges und die Torsionsfederwirkung des Drehfederstabes wirkungsvoll überlagern.

In vorteilhafter Weise sind die Klemmkörper formschlüssig, insbesondere in Art einer Rast- oder Schnappverbindung, in den Taschen aufgenommen. Dadurch ist zum einen eine leichte Montage bzw. Demontage des Freilaufelements möglich, zum anderen kann eine sichere Lagerung der Klemmkörper während des Betriebs erreicht werden. Unter Ausnutzung der elastischen Eigenschaften der Stege kann die Klemmkörpertasche elastisch aufgedehnt werden, um den Klemmkörper in die Tasche einzurasten bzw. einzuschnappen.

Im Allgemeinen weisen die Klemmkörper eine erste Anlagezone zum Kontakt mit einem ersten benachbarten Steg und eine zweite Anlagezone zum Kontakt mit einem zweiten benachbarten Steg auf. In bevorzugter Weise unterscheiden sich die erste Anlagezone und die zweite Anlagezone in ihrer Position in radialer Richtung voneinander. Mit anderen Worten liegt eine der Anlagezonen weiter innen (also näher an der Mittelachse des Freilaufelements) als die andere Anlagezone. Dadurch ist es möglich, den Klemmkörper mit einem Drehmoment zu beaufschlagen und so beispielsweise die Anfederung des Klemmkörpers zu beeinflussen. Die Größe und Richtung des Drehmoments wiederum kann durch die relative Lage der Anlagezonen zueinander eingestellt werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Anlagezone und/oder die zweite Anlagezone als zu dem seitlichen Endbereich des u- förmigen Querschnitts des Steges korrespondierende Fläche ausgebildet. Mit anderen Worten besitzt die Anlagezone des Klemmkörpers eine Krümmung bzw. Form, die einem negativen Abbild der Krümmung/Form des Steges entspricht. Auf diese Weise ist ein besonders definierter und reproduzierbarer Kontakt zwischen dem Steg und dem Klemmkörper möglich.

In einer vorteilhaften Ausführungsform bestehen zumindest die Stege und die Drehfederstäbe aus einem Polymerwerkstoff, insbesondere aus einem Polyamid. In bevorzugter Weise enthält der Polymerwerkstoff Füllstoffe, insbesondere in Form von Fasern und/oder Kugeln. Werden Verstärkungsfasern verwendet, so sind diese in bevorzugter Weise entlang der Längsrichtung des u-förmigen Querschnitts der Stege orientiert.

In besonderer Weise eignet sich als Werkstoff glasfaserverstärktes Polyamid, besonders bevorzugt PA 46 GF 15 (Polyamid 46 mit 15% Glasfaseranteil).

Es können sowohl nur die Stege und/oder die Drehfederstäbe als auch der gesamte Klemmkörperkäfig aus den oben genannten Werkstoffen bestehen. Durch die Verwendung der oben genannten Werkstoffe kann ein besonders vorteilhaftes Federverhalten erreicht werden.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungsfiguren weiter erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Klemmkörperfreilaufs mit Innenring, Außenring und dazwischen angeordnetem Freilaufelement;

Fig. 2 einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung des Freilaufelements aus Fig. 1 ;

Fig. 3 eine Seitendarstellung des Freilaufelements aus Fig. 1 ;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Freilaufelements aus Fig. 1 ;

Fig. 5 einen Ausschnitt aus einer perspektivischen Ansicht eines Käfigs des Freilaufelements aus Fig. 1 ; und

Fig. 6 einen Ausschnitt einer Schnittdarstellung des Freilaufelements aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Klemmkörperfreilaufs 1. Der

Klemmkörperfreilauf 1 weist einen Innenring 2 und einen Außenring 3 auf. Der Außenring 3 ist koaxial zum Innenring 2 angeordnet. Zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 bildet sich ein Spalt, der sogenannte Klemmspalt. Innerhalb dieses Spaltes ist das Freilaufelement 4 angeordnet. Dieses Freilaufelement 4 ist in den Figuren 2 bis 6 näher beschrieben.

Das Freilaufelement 4 ist im Wesentlichen ringförmig ausgebildet und besitzt einen Käfig 5 aus einem faserverstärkten Polymerwerkstoff (Polyamid 46 mit 15% Glasfaseranteil). Der Käfig 5 weist einen ersten Käfigbord 6 und einem in axialer Richtung versetzten zweiten Käfigbord 7 auf. Zwischen dem ersten Käfigbord 6 und dem zweiten Käfigbord 7 sind äquidistant verteilte, axial verlaufende Stege 8 angeordnet. Aus Übersichtlichkeitsgründen sind in den Figuren nicht sämtliche Elemente, die mehrmals vorhanden sind, mit einem gesonderten Bezugszeichen versehen. So ist beispielsweise in Fig. 1 lediglich ein Steg 8 mit einem Bezugszeichen versehen. Die Stege 8 sind über jeweils einen Drehfederstab 9 mit einem der Käfigborde 6, 7 verbunden. Die Elemente erster Käfigbord 6, zweiter Käfigbord 7, Stege 8 und Drehfederstäbe 9 bilden zusammen den Käfig 5.

Das Raumvolumen zwischen jeweils zwei benachbarten Stegen 8 und den Käfigborden 6, 7 bildet jeweils eine Tasche zur Aufnahme eines Klemmkörpers 10. Die Verbindung zwischen Klemmkörper 10 und Käfig 5 ist hierbei als Schnappverbindung ausgebildet. Die Klemmkörper 10 sind aus einem Stahlwerkstoff gefertigt. Der Käfig 5 ist damit aus einem Werkstoff gefertigt, der eine höhere Elastizität besitzt als der Werkstoff, aus dem die Klemmkörper 10 gefertigt sind.

Die Stege 8 besitzen einen in axialer Richtung gesehenen u-förmigen Querschnitt. Die Öffnung des U zeigt dabei radial nach innen, also in Richtung Mittelachse des Freilaufelements. Der gebogene Abschnitt des U zeigt radial nach außen. Die seitlichen Elemente (Schenkel) des U kontaktieren jeweils einen der Klemmkörper 10, die benachbart zum jeweiligen Steg 8 sind. Mit anderen Worten kontaktiert ein Klemmkörper 10 in einer ersten Anlagezone 11 einen ersten benachbarten Steg 8 und in einer zweiten Anlagezone 12 einen zweiten benachbarten Steg. Die erste Anlagezone 11 und die zweite Anlagezone 12 unterscheiden sich dabei in ihrer Position in radialer Richtung voneinander. Genauer liegt die zweite Anlagezone 12 weiter innen als die erste Anlagezone 11.

Die Stege 8 sind in einem seitlichen Endbereich des u-förmigen Querschnitts über jeweils einen Drehfederstab 9 mit dem ersten Käfigbord 6 und dem zweiten Käfigbord 7 verbunden. Abgesehen von dieser Verbindung sind die Stege 8 freitragend ausgebildet, d.h. es besteht keine weitere Verbindung zu den Käfigborden 6, 7. Auf diese Weise besitzen die Stege 8 eine hohe Flexibilität und Biege- bzw. Torsionsfähigkeit.

Unter Bezugnahme auf Fig. 6 soll die Funktionsweise des Freilaufelement 4 näher erläutert werden, wobei zum besseren Verständnis der

Klemmkörper 10a in der Klemmstellung, der Klemmkörper 10b in einer Mittelstellung und der Klemmkörper 10c in der Feilaufstellung gezeigt ist. In Realität würden sich sämtliche Klemmkörper 10a, 10b, 10c in der gleichen Stellung befinden. Die Klemmkörper 10a, 10b, 10c bilden in der Klemmstellung eine reibschlüssige Verbindung mit dem Innenring 2 und dem Außenring 3 aus, sodass ein Drehmoment zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 übertragen werden kann. In einer Freilaufstellung hingegen erlauben die Klemmkörper 10a, 10b, 10c eine Rotationsbewegung des Innenrings 2 relativ zum Außenring 3.

Die Klemmkörper 10a, 10b, 10c kontaktieren in jeder Stellung im Bereich der ersten Anlagezone 11 und der zweiten Anlagezone 12 die dazwischen liegenden Stege 8. Aufgrund der Elastizität und des u-förmigen Querschnitts wirken die Stege wie eine Biegefeder. Die Stege 8 stützen die Klemmkörper 10a, 10b, 10c federnd ab und verändern hierbei ihre Gestalt, d.h. die ll-Form verbreitert sich bzw. wird schmäler. Zusätzlich können sich die Drehfederstäbe 9 bei einer Torsionsbelastung verdrehen. Insgesamt können dadurch die Klemmkörper 10a, 10b, 10c zuverlässig angefedert und auch der Verschiebewiderstand innerhalb des Käfigs 5 reduziert werden. Dies wiederum führt dazu, dass das Freilaufelement 4 über einen relativ großen Toleranzbereich und auch bei im Klemmspalt auftretenden Exzentritäten funktionsfähig bleibt, ohne auf metallische Federn zur Anfederung zurückgreifen zu müssen.

Als Einsatzgebiete für das Freilaufelement 4 bieten sich insbesondere auch Einbausituationen an, bei denen dünnwandige Anschlussbauteile vorliegen, wie etwa bei Freiläufen bei Zweiradfahrzeugen (Fahrräder, E-Bikes oder ähnliches).

Der Käfig 5 ist aus einem glasfaserverstärkten Polyamid gefertigt, wobei durch geeignete Anspritzpunkte während des Spritzgießens dafür gesorgt wurde, dass die Verstärkungsfasern in Längsrichtung des u-förmigen Querschnitts der Stege orientiert sind. Um eine möglichst homogene Matenalverteilung zu erreichen, sollten möglichst viele bzw. alle Stege an das Spritzgusswerkzeug angebunden sein. Als vorteilhaft haben sich in diesen Zusammenhang auch Anspritzpunkte mittig in den Stegen 8 herausgestellt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1 Klemmkörperfreilauf

2 Innenring

3 Außenring

4 Freilaufelement

5 Käfig

6 Erster Käfigbord

7 Zweiter Käfigbord

8 Steg

9 Drehfederstab , 10a, 10b, 10c Klemmkörper

11 Erste Anlagezone

12 Zweite Anlagezone

Claims

ANSPRÜCHE

1 . Freilaufelement (4) mit einer Mehrzahl von Klemmkörpern (10) und einem Käfig (5), wobei: der Käfig (5) entlang seines Umfangs äquidistant verteilte, axial verlaufende Stege (8) sowie Taschen, in welchen jeweils einer der Klemmkörper (10) aufgenommen ist, aufweist; die Stege (8) eine höhere Elastizität als die Klemmkörper (10) besitzen; und die Stege (8) mit einem in axialer Richtung gesehen u-förmigen Querschnitt ausgebildet sind.

2. Freilaufelement (4) nach Anspruch 1 , wobei die Öffnung des u-förmigen Querschnitts in radialer Richtung nach innen oder außen zeigt.

3. Freilaufelement (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ferner aufweisend mindestens einen Käfigbord (6, 7), wobei jeder Steg (8) durch einen Drehfederstab (9) mit dem Käfigbord (6, 7) verbunden ist.

4. Freilaufelement (4) nach Anspruch 3, wobei der Drehfederstab (9) in einem Endbereich des u-förmigen Querschnitts mit dem Steg (8) verbunden ist.

5. Freilaufelement (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Klemmkörper (10) formschlüssig, insbesondere in Art einer Rastoder Schnappverbindung, in den Taschen aufgenommen sind.

6. Freilaufelement (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Klemmkörper (10) eine erste Anlagezone (11 ) zum Kontakt mit einem ersten benachbarten Steg (8) und eine zweite Anlagezone (12) zum Kontakt mit einem zweiten benachbarten Steg (8) aufweist.

7. Freilaufelement (4) nach Anspruch 6, wobei sich die erste Anlagezone (11 ) und die zweite Anlagezone (12) in ihrer Position in radialer Richtung voneinander unterscheiden.

8. Freilaufelement (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Käfig (5) aus einem Polymerwerkstoff, insbesondere aus einem Polyamid, besteht und die Klemmkörper (10) aus einem Stahlwerkstoff bestehen.

9. Freilaufelement (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die Stege (8) aus einem glasfaserverstärkten Polyamid, insbesondere aus PA 46 GF 15, bestehen.

10. Freilaufelement (4) nach Anspruch 9, wobei die Verstärkungsfasern entlang der Längsrichtung des u-förmigen Querschnitts der Stege (8) orientiert sind.