DE102004047803A1

DE102004047803A1 - Freilauf, insbesondere als Schwingungstilger

Info

Publication number: DE102004047803A1
Application number: DE200410047803
Authority: DE
Inventors: Herwig Fischer
Original assignee: Satellite Gear Systems Ltd
Current assignee: Satellite Gear Systems Ltd
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-03-30
Also published as: EP1794467A1; WO2006034736A1

Abstract

Ein Freilauf in einer besonderen Ausführung für sehr geringe Anteile im Betriebszeitenkollektiv im Überholbetrieb, der speziell die Übertragung von Schwingungen im Antriebsstrang dadurch reduziert, dass Momente nur in einer Richtung übertragen werden und so keine Resonanzen entstehen können, gekennzeichnet durch eine Vielzahl elastischer Zähne, die Umfangskräfte zwischen Antrieb und Abtrieb richtungsgebunden übertragen, da sie in einer Drehrichtung selbsthemmend einriegeln und in der Gegenrichtung ausgekämmt werden.

Description

Freiläufe übertragen Drehmomente drehrichtungsgebunden für unterschiedliche Anwendungen, als Rücklaufsperren oder Überholkupplungen.
In besonderen Anwendungsfällen werden die Zeitanteile des Lastkollektivs, in denen der Freilauf im Überholbetrieb läuft, sehr gering. Eine solche Lastverteilung ergibt sich z.B. wenn Freiläufe die Funktion als Schwingungstilger erfüllen sollen. Dabei werden Resonanzen dadurch vermieden, dass die Rückkopplung der Wechselmomente durch die drehrichtungsgebundene Momentenübertragung von Freiläufen unterbrochen wird. In solchen Fällen arbeitet der Freilauf praktisch ausschließlich im verriegelten Zustand, nur bei Auftreten der Resonanzdrehzahlen wird das Moment kurzzeitig unterbrochen. Für solche Einsätze erweist sich ein Freilauf als optimaler Schwingungstilger, da er Resonanzen nicht dämpfen und damit Energie absorbieren und in Wärme umwandeln muss, sondern die Entstehung von Schwingungsenergien verhindert. In allen Antriebssträngen, in denen eine Leistungsübertragung nur in eine Richtung benötigt wird und dauerhafte Überholdrehzahlen nicht auftreten, kann die Freilauffunktion auch mit hoher Drehmomentdichte durch die vorliegende Erfindung bei sehr preisgünstiger Fertigung erfüllt werden.
Dazu wird ein verzahnter Ring, in den Skizzen als Hohlrad ausgeführt gefertigt, der das Drehmoment auf einer der beiden Wellen überträgt. Auf der anderen Welle sitzt ein Trägerring mit auf dem Umfang angebrachten, elastischen Kupplungselementen, die mit dem Hohlrad formschlüssig in Eingriff stehen. Die Verzahnung ist asymmetrisch, so dass die Kupplungselemente in einer Drehrichtung selbsthemmend in Eingriff gehalten und in der Gegenrichtung ausgekämmt werden, in dem sie elastisch verformt und so aus dem Eingriff gehoben werden. In der Überholbewegung schwingen die Kupplungselemente dann hin und her, während sie durch die Federkraft der elastischen Verformung in die Verzahnung hinein gedrückt und wieder ausgekämmt werden.
Die Freilaufwirkung verläuft damit analog zu den bekannten Sperrklinkenfreiläufen, wobei hier wegen der Vielzahl von Zähnen und sehr fein verzahnten Kupplungselementen eine sehr gute Stellgenauigkeit erreicht werden kann und auf dem Umfang so viele Kupplungselemente untergebracht werden können, dass im Wesentlichen jeder Zahn des Hohlrades im Eingriff steht und an der Drehmomentübertragung teilnimmt. Die elastische Ausführung durch ein geeignetes Material ermöglicht die Gestaltung des Innenringes aus nur einem einzigen Teil, das die Funktion des Sperrklinkenträgers, aller Sperrklinken, sowie der Anfederung übernimmt. Die mehrfache statische Überbestimmung, für die bei harter Materialwahl künstliche zusätzliche Elastizitäten zum Toleranzausgleich integriert werden müssten, entfällt durch Eigenelastizität des Werkstoffes. Die einzelnen Formschlußelemente, die elastisch ein- und ausgekämmt werden können, tragen einen oder mehrere Zähne, die mit dem Hohlrad in Eingriff gebracht werden.
Die für diese Anwendung hinreichend elastischen Werkstoffe verfügen in der Regel im Vergleich zu Metallen über deutlich geringere Festigkeitswerte. Dennoch lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Freilauf vergleichbar hohe Drehmomentdichten erzielen, da statt einer oder drei Sperrklinken der gesamte Umfang im Formschluss steht und die Kraftverteilung durch Eigenelastizität praktisch vollständig homogen ist. Zusätzlich werden Kupplungsstöße ebenfalls durch Eigenelastizität absorbiert und führen nur zu geringen Lastüberhöhungen.
Die bei formschlüssigen Freiläufen üblichen Klickergeräusche beim Überrollen werden akustisch im elastischen Werkstoff deutlich besser gedämpft. Das innenverzahnte Hohlrad ist in einer besonderen Ausführung ebenfalls aus einem elastischen Material. Um die Kräfte aus den beiden elastischen Bauteilen (Hohlrad und Innenring) in die An- bzw. Abtriebswellen bei geringen Werkstoffspannungsspitzen ein- bzw. auszuleiten, sind in einer bevorzugten Ausführung beide Bauteile mit Formschlußelementen auf dem Innen und/oder Außenumfang und/oder auf den axialen Flächen versehen, die in entsprechende Gegenstücke auf den Wellen und Flanschen des Antriebsstranges passen. Bei einer besonders kompakten Ausfüh rung, sind die Ringe radial sehr flach und die angeschlossenen Wellen und Flansche hinterfüttern die Ringe und halten sie auch unter Last formstabil.
In einer weiteren Variante sind an einem oder beiden Bauteilen, Hohlrad und Innenring, z.B. axial versetzt glatte Flächen angeformt, die als Gleitlager im Überholbetrieb dienen und beide Teile zueinander zentrieren. In dieser Variante sind den Materialien Komponenten beigefügt, ähnlich wie in Kunststoffgleitlagern, die hohe Verschleißfestigkeit und geringe Reibung verursachen. Die Gleitflächen sind vorzugsweise axial versetzt auf verschiedenen Radien angebracht, so dass der erfindungsgemäße Freilauf durch ineinander stecken von zwei Bauteilen axial montiert werden kann.
In weiteren Varianten sind die erfindungsgemäßen Freiläufe komplementär ausgeführt, d.h. statt des Hohlrades kämmt ein außenverzahntes Zahnrad mit einem Trägerring, auf dem die Kupplungselement nach innen aufgehängt sind. In einer weiteren Variante sind Verzahnung und Kupplungselemente nicht radial sondern axial angeordnet.
In einer besonderen Variante sind die Geometrien der Verzahnung und der Kupplungselemente so gewählt, dass ebenfalls in einer Richtung ein- und in Gegenrichtung ausgekämmt wird, dass jedoch bei Überschreiten einer Grenzbelastung die Kupplungselemente auch in Sperrrichtung elastisch wegkippen und so die Funktion einer Überlastsicherung entsteht.
Beschreibung der Skizzen
1 zeigt den Freilauf in einer Seitenansicht ausgeführt aus einem elastischen Material mit dem Außenring 100 und dem Innenring 200. Der Außenring 100 weist auf dem äußeren Umfang die Ausnehmungen 103 auf, mit denen er formschlüssig das Drehmoment an die nicht dargestellten Anschlusswellen übertragen kann und die Innenverzahnung 101, die mit den biegeelastisch ausgeführten Zähnen 201 des Innenringes 200 im Eingriff stehen. Die Verzahnung ist so asymmetrisch ausgeführt und die Zähne 201 sind in einem Winkel auf dem Innenring 200 fixiert, dass in einer Drehrichtung ein Drehmoment übertragen wird, das sich selbsthemmend stabilisiert und in der Gegenrichtung werden die Zähne durch die asymmetrischen Zahnflanken ausgekämmt.
Die Zahnhälse dienen damit gleichzeitig als Anfederung. In einer besonderen Ausführung wird die Geometrie so gewählt, dass ebenfalls in einer Richtung gesperrt und in der Gegenrichtung ausgekämmt wird, jedoch werden die Zahnhälse nach Erreichen einer gewünschten Umfangskraft durch Überschreiten einer Grenzspannung ebenfalls ausgekämmt, so dass gleichzeitig die Wirkung einer Überlastkupplung entsteht. Die angesetzten Ringkonturen 204 und 205 sind gleichzeitig bei richtiger Werkstoffauswahl als Gleitlager ausgeführt. Die unterschiedlichen Durchmesser dienen der einfacheren Montage.
2 zeigt den Freilauf in einer Frontansicht mit der Markierung A, die eine Einzelheit vergrößert in 3 beschreibt. 4 zeigt eine Perspektive des Freilaufes.

Claims

Formschlüssiger Freilauf zur Übertragung von Drehmomenten in nur einer Richtung mit einem Ring mit formschlüssigen Konturen und einem zweiten Ring mit Formschlusselementen, die in einer Richtung in den Formschlusskonturen selbsthemmend verriegeln und in der Gegenrichtung ausgekämmt werden und die angefedert mit den Formschlusskonturen selbsthemmend in Kontakt gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusselemente einerseits und der Träger der Formschlusselemente andererseits im wesentlichen jeweils einteilig aus einem elastischen Material so ausgeführt sind, dass die zum Ausriegeln notwendigen Bewegungen der Formschlusselemente durch elastische Verformung ermöglicht werden.
Formschlüssiger Freilauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Formschlusselement nur einen einzigen Zahn trägt, der mit den Formschlusskonturen des Gegenringes kämmt.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Formschlusselement mehrere Zähne trägt, die mit den Formschlusskonturen des Gegenringes kämmen.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Ringe aus elastischen Materialen bestehen, so dass Spannungsunterschiede, die in den einzelnen Bauteilen durch Fertigungstoleranzen und statische Überbestimmung entstehen, im wesentlichen ausgeglichen werden.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder beide Ringe formschlüssige Konturen aufweisen, die mit entsprechenden Gegenkonturen der anschließenden Wellen und Flansche des Antriebsstranges in Eingriff stehen und so die drehmomentführenden Kräfte bei geringsten Werkstoffspannungen und unter Vermeidung von Spannungsspitzen weitergeleitet werden.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass glatte Konturen in einem oder beiden Ringen angebracht sind, die als Gleitlager fungieren, auf dem die beiden Wellen im Überholbetrieb gleiten und die beide Ringe zueinander zentrieren.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die glatten Konturen, die als Lagerung fungieren, auf unterschiedlichen Radien so angebracht sind, dass beide Ringe axial ineinander gesteckt und so montiert werden können.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenanschlüsse als Hinterfütterung ausgeführt sind, mit denen die elastischen Ringen formstabil gehalten werden und die Ringe selbst somit sehr dünnwandig und platzsparend ausgeführt sind.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Freilauf mit einem Gleitmittel versehen wird, das Verschleiß und Geräusch minimiert.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitmittel viskoelastische Eigenschaften aufweist.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit der Träger der Formschlusselemente so abgestimmt wird, dass bei Überschreiten einer Grenzbelastung auch in Sperrrichtung eine elastische Verformung entsteht, durch welche die Formschlusselemente zum auskuppeln gebracht werden, womit die Funktion einer Überlastkupplung erfüllt wird.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erfindungsgemäße Freilauf als Schwingungstilger fungiert.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erfindungsgemäße Freilauf mit einem drehelastischen Schwingungstilger aus einem elastomeren Material kombiniert wird.
Formschlüssiger Freilauf nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Verzahnung so gewählt wird, dass die Sperrklinken in Lastrichtung mit steigender Umfangskraft immer weiter in die Verzahnung gepresst und in Gegenrichtung so ausgekämmt werden, dass durch die Verformung beim auskämmen die zulässigen Werkstoffspannungen für elastische Verformung nicht überschritten werden.