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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Kupplung, die eine Antriebsverbindung zwischen Bauteilen erzeugt, wenn deren Relativdrehung in der einen Richtung verläuft, und freiläuft, wenn die Relativdrehung in der entgegengesetzten Richtung verläuft. Insbesondere betrifft die Erfindung solche Kupplungen mit Sperrklinken, die infolge der Wirkung der auf die Sperrklinke wirkenden Zentrifugalkraft wenigstens teilweise in oder außer Eingriff stehen.
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Herkömmliche Einwegkupplungen zum Erzeugen einer Einweg-Antriebsverbindung zwischen Innen- und Außenlaufringen der Kupplung weisen Mitnehmer oder Rollen zum lösbaren antreibbaren Verbinden der Laufringe und der Bauteile einer mechanischen Anordnung auf, die mit den Laufringen verbunden ist. Solche Kupplungen werden üblicherweise im Antriebsstrang oder Getriebe eines Kraftfahrzeuges verwendet. Einwegkupplungen arbeiten in vielen Fällen zufrieden stellend, jedoch erfordern bestimmte Anwendungen, wie jene, bei welchen hohe Drehmomente von der Kupplung übertragen werden, andere Einwegkupplungen als die herkömmliche Kupplung des Mitnehmer- oder Rollentyps, um die gewünschten Anforderungen zu erfüllen.
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Herkömmliche Einwegkupplungen haben wenigstens einen Mitnehmer oder eine Rolle, welche zwei genutete oder ausgesparte Laufringe in der einen Drehrichtung gemeinsam antreibbar miteinander verriegelt und ermöglicht, dass sich die Laufringe in der anderen Richtung frei drehen. Einwegkupplungen des Sperrklinken- und Mitnehmertyps können das Drehmoment für eine bestimmte Gehäusegröße im Vergleich zu einer Kupplung des Rollentyps erhöhen, jedoch sind sie im Allgemeinen durch die von dem Kontakt der Sperrklinken oder Mitnehmer mit den Laufringen verursachten Kontakt- oder Lagerspannungen in der Drehmomentübertragung begrenzt.
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Um diese und andere Schwierigkeiten zu bewältigen, weist eine im
US-Patent 5,070,978 beschriebene Einweg-Freilaufkupplung ein Antriebselement und ein Abtriebselement auf, welche zur Drehung im und entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um eine gemeinsame Achse montiert sind. Das Antriebselement weist eine ebene Antriebsfläche senkrecht zur gemeinsamen Achse auf, welche mit einer Antriebsquelle zum Drehen der ebenen Antriebsfläche entweder im oder entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn verbunden ist. Das Abtriebselement weist eine ebene Abtriebsfläche auf, die in enger Nähe und gegenüberliegend zu der Antriebsfläche positioniert ist. Das Antriebselement und das Abtriebselement sind über eine Reihe von Aussparungen in einer der Flächen und eine Mehrzahl von Stützen, die von der anderen Fläche getragen werden, miteinander gekuppelt, so dass, wenn das Antriebselement entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn angetrieben wird, dieses das Abtriebselement zusammen mit dem Antriebselement antreibt. Wenn das Antriebselement im Uhrzeigersinn angetrieben wird, treibt dieses das Abtriebselement nicht an, sondern dreht relativ zu dem Abtriebselement frei. Die Knickfestigkeit der Stütze, welche die Torsionsbelastung zwischen den Laufringen überträgt, ist ein wichtiger Faktor bei der Konstruktion.
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Das
US-Patent 5,954,174 offenbart eine Einwegkupplung des Ratschentyps mit einem Innenlaufring mit Nuten, einem Außenlaufring mit Aussparungen, und Sperrklinken, die in den Aussparungen angeordnet sind, um in die Nuten einzugreifen. Die Sperrklinken weisen einen Schwenkrücken auf, welcher mit einem Scheitel oder einer Auskehlung in den Aussparungen des Außenlaufringes zusammenpasst, um die Sperrklinke in der Aussparung zu positionieren. Der Massenschwerpunkt jeder Sperrklinke ist derart gelegt, dass die Sperrklinke dazu neigt, mit einer Nut in dem Innenlaufring in oder außer Eingriff zu gelangen. Eine Feder wird verwendet, um an jeder Sperrklinke eine Kippkraft zu schaffen, die in Eingriffsrichtung der Sperrklinke mit einer Nut wirkt.
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Herkömmliche Einwegkupplungen entwickeln eine relativ große Ringspannung in den Laufringen, wenn ein Drehmoment durch die Kupplung übertragen wird, so dass die Laufringe der herkömmlichen Einwegkupplungen aus Lagerstahl geformt werden, um der Ringspannung beim Betrieb standzuhalten. Da die in den obigen Patenten offenbarten Kupplungen beim Betrieb relativ geringe Ringspannungen entwickeln, können sie aus Sintermetall geformt werden. Kupplungen aus Sintermetall können unter Umständen mit relativ geringen Kosten im Vergleich zu den Kosten zum Formen und Herstellen einer herkömmlichen Kupplung aus Edelstahl erzeugt werden, vorausgesetzt, dass eine kostenaufwendige Bearbeitung vermieden wird.
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Die in den obigen Patenten beschriebenen Kupplungen erfordern jedoch einen beträchtlichen Bearbeitungsaufwand für die Bauteile, die aus Sintermetall geformt werden. Ein übermäßiges inneres Spiel, welches Lärm auf unzumutbarem Niveau erzeugen kann, ist ein potentielles Problem unter bestimmten Betriebsbedingungen bei diesen Kupplungen.
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Die
US 2004/0 016 616 A1 ,
EP 1 143 161 A1 ,
DE 697 17 126 T2 ,
US 6 364 236 B1 ,
GB 1 598 908 A und
US 5 690 202 A beschreiben jeweils eine Kupplung zum Erzeugen einer Einweg-Antriebsverbindung zwischen sich drehenden Bauteilen, aufweisend einen ersten Laufring mit einer Mehrzahl von Öffnungen, einen zweiten Laufring mit einer Reihe von Nuten, und eine Mehrzahl von Sperrklinken und Federn, die in den Öffnungen des ersten Laufrings angeordnet sind, wobei die Federn gegen die Sperrklinken in Richtung zu dem Eingriff mit den Nuten des zweiten Laufrings drücken.
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Daher besteht ein Bedarf an einer kostengünstigen und zuverlässigen Einwegkupplung, die geringe Lagerspannungen beim Betrieb erzeugt und aus Sintermetall leicht geformt werden kann. Die Kupplung sollte einen geringen Raum einnehmen, den Lärm beim Betrieb minimieren und geringe oder gar keine Bearbeitung erfordern. Vorzugsweise sollte die gewünschte Kupplung Merkmale aufweisen, die ihre Montage in einem Antriebssystem erleichtern.
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Gemäß der Erfindung ist eine Kupplung nach den Merkmalen aus dem Anspruch 1 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Kupplung gemäß der Erfindung weist einen Innenlaufring, einen Außenlaufring und schwenkbare Sperrklinken auf, welche die Laufringe in der einen Drehrichtung antreibbar miteinander verbinden und in der entgegengesetzten Richtung freilaufen lassen. Die Kupplung ist vorzugsweise aus Sintermetall geformt. Die Sperrklinken sind in einem der Laufringe derart angeordnet, dass die Kupplung eine Zentrifugalkraft anwenden kann, um den Außereingriff der Sperrklinken von einer Nut in einem Freilaufzustand durch Vorspannen der Sperrklinken zum Wegschwenken von der Nut zu unterstützen. Alternativ kann die Kupplung eine Zentrifugalkraft anwenden, um den Eingriff der Sperrklinken mit einer Nut durch Drücken der Sperrklinken zum Schwenken in Richtung zu der Nut zu unterstützen.
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Die Form einer Aussparung, welche die Sperrklinken aufnimmt, erfordert eindeutig keine zusätzlichen Bearbeitungsvorgänge für irgendeinen Zweck, so dass Verdichtungsmittel und Anti-Verdichtungsmittel bei den Sintermetallbauteilen ausgeschlossen werden. Die Bauteile der Kupplung, die aus Sintermetall geformt sind, erfordern keine Bearbeitung nach dem Formen.
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Die Anzahl von Nuten für einen bestimmten Durchmesser ist größer als bei anderen Einwegkupplungen, wodurch das Spiel erheblich reduziert wird. Die Konstruktion eignet sich infolge deren Konfiguration für eine leichte Montage. Eine Aussparungs-Unterbaugruppe enthält die Sperrklinken und eine Rückstellfeder für jede Sperrklinke. Vor ihrer Montage in der Kupplung begrenzt die Aussparungs-Unterbaugruppe die Fähigkeit jeder Sperrklinke, in die Aussparung zu schwenken, und die Kraft der jeweiligen Rückstellfeder verhindert durch Drücken der Sperrklinke in den Kontakt mit ihrer Aussparung, dass die Sperrklinke seitlich aus der Aussparung austritt. Diese Anordnung ermöglicht, dass die Unterbaugruppe vor ihrem Einbau in die Kupplung mit den Sperrklinken und Federn, die bereits in der Aussparungs-Unterbaugruppe eingebaut sind, zu hantieren und zu transportieren ist.
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Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Seitenansicht einer Kupplung gemäß der Erfindung, bei der Sperrklinken in einem Innenlaufring angeordnet sind und mit Nuten in einem Außenlaufring in Eingriff stehen;
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2 eine isometrische Ansicht der Kupplung aus 1, deren Bauteile im gemeinsamen axialen Abstand voneinander angeordnet sind;
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3 eine isometrische Ansicht der Kupplung aus 2 teilweise im Schnitt durch eine diametrale Ebene, wobei die Bauteile im Abstand voneinander zu sehen sind;
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4 eine isometrische Ansicht der Kupplung aus 2 teilweise im Schnitt durch eine diametrale Ebene, wobei die Bauteile zusammengebaut sind;
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5 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt durch eine diametrale Ebene, wobei die Bauteile zusammengebaut sind;
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6 eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Innenlaufrings mit einer Sperrklinke, einer Aussparung und einer Rückstellfeder;
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7 eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Innenlaufrings mit einer Sperrklinke, einer Aussparung, einer Rückstellfeder und einem CF-Vektor;
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8 eine Seitenansicht einer Kupplung gemäß der Erfindung, bei der Sperrklinken in einem Außenlaufring angeordnet sind und mit Nuten in einem Innenlaufring in Eingriff stehen;
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9 eine Seitenansicht eines Abschnitts eines Außenlaufrings mit einer Sperrklinke, einer Aussparung, einer Rückstellfeder und einem CF-Vektor;
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10 eine Seitenansicht einer Zickzack-Rückstellfeder;
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11 eine Seitenansicht einer Schrauben-Rückstellfeder;
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12 eine Sperrklinke mit einer bevorzugten Außenfläche; und
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13–18 der Reihe nach die Bewegung der Sperrklinke von einer Freilaufposition in eine Eingriffsposition.
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Mit Bezug auf 1 weist eine Einwegkupplung 20 gemäß der Erfindung eine Sperrklinkenplatte oder einen Innenlaufring 22, eine Nockenplatte oder einen Außenlaufring 24, und eine Mehrzahl von Sperrklinken 26 auf, die in jeweiligen Aussparungen 28 liegen, welche in dem Innenlaufring 22 im gemeinsamen Winkelabstand voneinander um eine Mittelachse 30 ausgebildet sind. Der Innenumfang des Außenlaufrings 24 ist mit einer Mehrzahl von Nuten 32 versehen, die im gemeinsamen Winkelabstand voneinander um die Mittelachse 30 angeordnet sind. Bei der in 1 gezeigten Kupplung gibt es zwölf Sperrklinken 26 und Aussparungen 28 sowie sechsunddreißig Nuten 32.
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Wenn sich der Innenlaufring 22 im Uhrzeigersinn schneller als der Außenlaufring 24 dreht, schwenkt infolge des Kontaktes der Sperrklinken 26 mit der radialen Innenfläche des Außenlaufrings 24 jede Sperrklinke 26 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn in ihre Aussparung 28 von dem Eingriff mit den Nuten 32 weg. Dies ermöglicht, dass sich der Innenlaufring 22 relativ zu dem Außenlaufring 24 im Uhrzeigersinn um die Mittelachse 30 frei drehen kann. Wenn der Innenlaufring 22 versucht, sich relativ zu dem Außenlaufring 24 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn zu drehen, gelangen der Innenlaufring 22 und der Außenlaufring 24 durch den Eingriff der Sperrklinken 26 mit den Nuten 32 in Eingriff oder werden gemeinsam antreibbar miteinander verbunden.
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Wenn die Kupplung 20 in Eingriff steht, überträgt jede Sperrklinke 26 infolge ihres Kontaktes mit einer Innenfläche 34 der Aussparung 28 und mit einer Radialfläche 36 der Nut 32 eine Kraft F zwischen dem Innenlaufring 22 und dem Außenlaufring 24.
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In jeder Aussparung 28 ist eine Vertiefung 40 ausgebildet, die eine Feder, wie eine schraubenförmig gewundene Druckfeder 42 oder eine Zickzack-Druckfeder 44 aufnimmt, um die jeweilige Sperrklinke 26 zu zwingen, in ihrer Aussparung 28 in den Eingriff mit den Nuten 32 zu schwenken.
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2–5 zeigen die Kupplung mit dem Innenlaufring 22 (Sperrklinkenplatte), in dem die im Winkelabstand voneinander angeordneten Aussparungen 28 mit den Vertiefungen 40 ausgebildet sind, wobei jede Aussparung 28 die Sperrklinke 26 aufweist, welche in der jeweiligen Aussparung 28 abwechselnd mit den in der radialen Innenfläche des Außenlaufrings 24 (Nockenplatte) ausgebildeten Nuten 32 in und außer Eingriff steht. Ein Führungsring 46 aus Sintermetall ist in den Außenlaufring 24 eingepasst.
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Wie am besten aus 5 ersichtlich, kontaktiert, wenn die Kupplung 20 zusammengebaut ist, eine axiale Fläche des Führungsrings 46 eine axiale Innenfläche 48 eines Flansches 50. Die Innenfläche 48 ist mit radial gerichteten Nuten 52 versehen, welche flüssiges Schmiermittel, vorzugsweise Getriebeöl, radial nach außen zu einer radialen Innenfläche 51 des Führungsrings 46 führen. Das Öl tritt über Öffnungen 49, die in einem mit der Kupplung 20 verbundenen Antriebssystembauteil 72 ausgebildet sind, in die Radialnuten 52 ein. Das Öl läuft axial nach links über die radiale Innenfläche 51 an dem Führungsring 46 in einen radialen Raum 53, welcher das Öl radial nach außen zu einer Fläche 55 über die Breite des Innenlaufrings 22 und über die Fläche der Sperrklinken 26 führt. Der Führungsring 46 führt den Innenlaufring 22 und den Außenlaufring 24 und vermeidet eine Bearbeitung entlang der Nocken oder Nuten 32 des Außenlaufrings 22 oder von radialen Außenflächenabschnitten 66 des Innenlaufrings 22. Das Schmieröl wird genau radial entlang der Radialnuten 52 zu dem Führungsring 46 und dann axial zwischen einer Außenfläche 68 an dem Innenlaufring 22 und der Innenfläche 51 des Führungsrings 46 zu den Sperrklinken 26 geführt. Das Schmiermittel fließt entlang dieses Pfades infolge einer Zentrifugaldruckhöhe, die entwickelt wird, wenn sich die Kupplung um die Mittelachse 30 dreht.
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Die radiale Außenfläche des Außenlaufrings 24 ist mit Keilnuten 54 versehen, über welche der Außenlaufring 24 mit einem Antriebssystem antreibbar verbunden ist. Gleichermaßen ist die radiale Innenfläche des Innenlaufrings 22 mit Keilnuten 56 versehen, über welche der Innenlaufring 22 mit einem Bauteil des Antriebssystems antreibbar verbunden ist.
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Eine axiale Fläche 58 des Innenlaufrings 22 kontaktiert einen Haltering 60, welcher das axiale Ende jeder Aussparung 28 schließt und durch einen Sprengring 62 in der Position gehalten wird, welcher in eine Ausnehmung 64 eingreift, die in dem Außenlaufring 24 ausgebildet ist.
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3 und 4 zeigen die Bauteile der Kupplung 20 im Abstand voneinander angeordnet bzw. im zusammengebauten Zustand. Bei der Kupplung 20 ist der Außenlaufring 24 mit einer Trommel 72 eines Fahrzeugantriebssystems über daran ausgebildete Keilnuten 70 antreibbar verbunden.
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Mit Bezug auf 6 kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Sperrklinke 26 mehrere Flächen 80, 82, 84, 86, 88 und einen definierten Drehmittelpunkt 90 aufweisen. Die Fläche 80 und die Seitenfläche 82 sind beide kreisförmige zylindrische Flächen, deren Kreisbögen konzentrisch zu dem Drehmittelpunkt 90 sind. Die Fläche 80 und die Seitenfläche 82 führen die Drehung oder Schwenkung der Sperrklinke 26 und begrenzen diese Schwenkung auf einen Freiheitsgrad.
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Die Fläche 80 ist eine Führungsfläche. Wenn die Kraft F ausgeübt wird, während die Kupplung angetrieben wird und die Sperrklinken 26 mit den Nuten 32 in Eingriff stehen, wird vorzugsweise keine Reaktionskraft an der Fläche 80 entwickelt. Die Seitenfläche 82 ist eine Fläche, an welcher die Reaktion auf die Kraft F entwickelt wird, wenn die Kupplung 20 ein Drehmoment zwischen dem Außenlaufring 24 und dem Innenlaufring 22 über die Sperrklinken 26 überträgt. Da die Mitte der Seitenfläche 82 in dem Drehmittelpunkt 90 liegt, wird die Reaktion auf die Kraft F entlang der auf den Drehmittelpunkt 90 bezogenen Seitenfläche 82 verteilt und erzeugt kein Drehmoment, das zum Schwenken der Sperrklinke 26 um den Drehmittelpunkt 90 tendiert.
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Die Reaktionsfläche 84 begrenzt die Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 im Uhrzeigersinn und unterstützt die Anordnung der Laufringe 22 und 24 mit den Aussparungen 28, den Sperrklinken 26 und den Federn 42, 44. Der Innenlaufring 22 wird durch Einsetzen einer Sperrklinke 26 in jede Aussparung 28 und Platzieren einer Feder 42, 44 in jede Vertiefung 40 für den Einbau vorbereitet. Die von der Feder 42, 44 auf die jeweilige Sperrklinke 26 ausgeübte Kraft schwenkt die Sperrklinke 26 in die in 6 gezeigte Position, wo die Reaktionsfläche 84 eine ebene Grundfläche 96 der Aussparung 28 kontaktiert. Die Federkraft und ihre Reaktionskraft an der ebenen Grundfläche 96 hält die Sperrklinke 26 in der Aussparung 28 ohne dem Beisein des Außenlaufringes 24 oder einer Montagehilfe. Der Innenlaufring 22, der die Sperrklinken 26 aufnimmt, kann in diesem Zustand als vorbereitete Unterbaugruppe in die Kupplung 20 eingebaut werden.
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Durch Begrenzen der Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 um den Drehmittelpunkt 90 wird eine Gegenreaktionsdrehkraft auf die Abstützung an der Reaktionsfläche 84 erzeugt, wenn die Kupplung 20 angetrieben wird oder in Eingriff steht. Wenn die Kupplung 20 angetrieben wird, erzeugt die auf die Eingriffsfläche 86 ausgeübte Kraft F ein Drehmoment im Uhrzeigersinn an der Sperrklinke 26 um den Drehmittelpunkt 90. Dem von der Kraft F erzeugten Drehmoment um den Drehmittelpunkt 90 wirkt eine Kraft P1 entgegen, wo die Reaktionsfläche 84 die ebene Grundfläche 96 kontaktiert. Ohne die Reaktionsfläche 84 würde das gesamte Reaktionsdrehmoment anderswo wirken. Wenn zum Beispiel die gesamte Torsionsreaktion auf die Kraft F an der Klinkenfläche 88 einwirken würde, könnte eine große Ringspannung an dem durch die Klinkenfläche 88 kontaktierten Außenlaufring 24 erzeugt werden, was infolge eines hohen Einfallswinkels der Reaktionskraft zu einer Scherung an der Wand des Außenlaufrings 24 führt. Wenn die Torsionsreaktion auf die Kraft F an der Seitenfläche 82 einwirken würde, könnte diese auf den Rand des Innenlaufrings 22 an seiner schwächsten Stelle ausgeübt werden. Vorzugsweise wird die Torsionsreaktion auf die Kraft F senkrecht zu der ebenen Grundfläche 96 an die Reaktionsfläche 84 und die Seitenfläche 82 gelegt, wo infolge des Kontaktes mit der Aussparung 28 Reibung erzeugt wird.
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Die Eingriffsfläche 86 ist die Fläche, an welcher die Kraft F ausgeübt wird, wenn die Kupplung 20 angetrieben wird und die Sperrklinken 26 mit den Radialflächen 36 der Nuten 32 in Eingriff stehen. Die Eingriffsfläche 86 führt diese Funktion aus, indem sie einen mechanischen Eingriff erzeugt, wenn die Sperrklinke 26 in die Eingriffsposition geschwenkt wird.
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Die Klinkenfläche 88, die an dem Umriss eines Stützabschnitts 92 der Sperrklinke 26 liegt, kontaktiert den Scheitelpunkt 98 der Radialflächen 36 der Nuten 32, um sicherzustellen, dass kein Eingriff auftritt, wenn die Kupplung 20 freiläuft und die Sperrklinken 26 von den Nuten 32 außer Eingriff sind. Die Klinkenfläche 88 ist gekrümmt, um die Bildung eines Schmiermittelfilms zu erleichtern, wenn die Kupplung 20 freiläuft, und um den Zusammenstoß mit den Scheitelpunkten 98 beim Freilaufen der Kupplung 20 durch Schaffung von Übergangspositionen zu minimieren, was das Maß der Schwenkung der Sperrklinke 26 in die Aussparung 28 relativ zu dem Maß der Drehung des Außenlaufrings 24 minimiert. Dies minimiert die Winkelbeschleunigung an der Sperrklinke 26, wenn die Kupplung 20 freiläuft.
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Der Massenschwerpunkt 100 der Sperrklinke 26 kann in Bezug auf den Drehmittelpunkt 90 derart gelegt werden, dass die Zentrifugalkraft je nachdem, ob die Sperrklinke 26 an dem Außenlaufring 24 oder dem Innenlaufring 22 angeordnet ist, zum Eingriff oder Außereingriff mit der Sperrklinke 26 tendiert.
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Mit Bezug auf 7 liegt der Massenschwerpunkt 100 von einer die Mittelachse 30 mit dem Drehmittelpunkt 90 verbindenden Linie nach rechts, und die Sperrklinke 26 wird in der Aussparung 28 geführt, die in dem Innenlaufring 22 ausgebildet ist. Wenn sich die Kupplung 20 um die Mittelachse 30 dreht, ist die Zentrifugalkraft an der Sperrklinke 26 radial nach außen entlang einer Linie 102 ausgerichtet, die durch die Mittelachse 30 und den Massenschwerpunkt 100 verläuft, wodurch die Sperrklinke 26 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um den Drehmittelpunkt 90 schwenkt. Diese Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn ist der Kraft der Feder 42, 44 entgegengerichtet und schwenkt die Eingriffsfläche 86 von dem Kontakt mit der Radialfläche 36 an dem Außenlaufring 24 weg. Die Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn bewegt die Sperrklinke 26 in eine Außereingriffsposition und ermöglicht, dass der Innenlaufring 22 freiläuft und die Kupplung 20 außer Eingriff ist. Die Größe des Moments um den Drehmittelpunkt 90, das ein Zusammendrücken der Feder 42, 44 und ein Schwenken der Sperrklinke 26 in die Außereingriffsposition bewirkt, variiert mit der Drehzahl des Innenlaufrings 22 und dem Abstand des Massenschwerpunkts 100 von dem Drehmittelpunkt 90.
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Alternativ kann der Massenschwerpunkt von der die Mittelachse 30 mit dem Drehmittelpunkt 90 verbindenden Linie nach links gelegt sein, wenn die Sperrklinke 26 in der Aussparung 28 geführt wird, die in dem Innenlaufring 22 ausgebildet ist. In diesem Falle bewirkt, wenn sich die Kupplung 20 um die Mittelachse 30 dreht, die Zentrifugalkraft an der Sperrklinke 26 eine Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 im Uhrzeigersinn um den Drehmittelpunkt 90. Diese Schwenkbewegung der Sperrklinke 26 im Uhrzeigersinn trägt zu der Wirkung der Kraft der Feder 42, 44 bei und bewegt die Eingriffsfläche 86 in Kontakt mit der Radialfläche 36 an dem Außenlaufring 24, d. h. sie schwenkt die Sperrklinke 26 in die Eingriffsposition und bewirkt einen Eingriff der Kupplung 20.
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8 zeigt eine Kupplung 120 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Kupplung 120 weist eine Nockenplatte oder einen Innenlaufring 122, eine Sperrklinkenplatte oder einen Außenlaufring 124, und eine Mehrzahl von Sperrklinken 126 auf, die in jeweiligen Aussparungen 128 liegen, welche in dem Außenlaufring 24 im gemeinsamen Winkelabstand voneinander um eine Mittelachse 130 ausgebildet sind. Der Außenumfang des Innenlaufrings 122 ist mit einer Mehrzahl von Nocken oder Nuten 132 versehen, die im gemeinsamen Winkelabstand voneinander um die Mittelachse 30 angeordnet sind. Bei der in 8 gezeigten Kupplung gibt es neun Sperrklinken 126 und Aussparungen 128 sowie sechsunddreißig Nuten 132.
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Wenn sich der Außenlaufring 124 im Uhrzeigersinn schneller als der Innenlaufring 122 dreht, schwenkt infolge des Kontaktes der Sperrklinken 126 mit der radialen Außenfläche des Innenlaufrings 122 jede Sperrklinke 126 im Uhrzeigersinn in ihre Aussparung 128 von dem Eingriff mit den Nuten 132 weg. Dies ermöglicht, dass sich der Außenlaufring 124 relativ zu dem Innenlaufring 122 im Uhrzeigersinn um die Mittelachse 130 frei drehen kann. Wenn der Außenlaufring 124 versucht, sich relativ zu dem Innenlaufring 122 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn zu drehen, gelangen der Innenlaufring 122 und der Außenlaufring 124 durch den Eingriff der Sperrklinken 126 mit den Nuten 132 in Eingriff oder werden gemeinsam antreibbar miteinander verbunden.
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Wenn die Kupplung 120 in Eingriff steht, überträgt jede Sperrklinke 126 infolge ihres Kontaktes mit einer Innenfläche 134 der Aussparung 128 und mit einer Radialfläche 136 der Nut 132 eine Kraft F1 zwischen dem Innenlaufring 122 und dem Außenlaufring 124.
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In jeder Aussparung 128 ist eine Vertiefung 140 ausgebildet, die eine Feder, wie eine schraubenförmig gewundene Druckfeder 142 oder eine Zickzack-Druckfeder 144 aufnimmt, um die jeweilige Sperrklinke 126 zu zwingen, in ihrer Aussparung 128 in den Eingriff mit den Nuten 132 zu schwenken.
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Mit Bezug auf 9 liegt bei der Kupplung 120 der Massenschwerpunkt 150 jeder Sperrklinke 126 von einer die Mittelachse 130 mit dem Drehmittelpunkt 152 verbindenden Linie nach rechts. Wenn sich der Außenlaufring 124 um die Mittelachse 130 dreht, ist die Zentrifugalkraft an der Sperrklinke 126 radial nach außen entlang einer Linie 154 ausgerichtet, die durch die Mittelachse 130 und den Massenschwerpunkt 150 verläuft, wodurch die Sperrklinke 126 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn um den Drehmittelpunkt 152 schwenkt. Diese Schwenkbewegung der Sperrklinke 126 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn wirkt mit der Kraft der Feder 142, 144 zusammen und schwenkt die Sperrklinke 126 in eine Eingriffsposition mit der Radialfläche 136, so dass die Kupplung 120 in Eingriff gebracht ist.
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Alternativ kann bei der Kupplung 120 der Massenschwerpunkt 150 von der die Mittelachse 130 mit dem Drehmittelpunkt 152 verbindenden Linie nach links gelegt sein. In diesem Falle bewirkt, wenn sich der Außenlaufring 124 um die Mittelachse 130 dreht, die Zentrifugalkraft an der Sperrklinke 126 eine Schwenkbewegung der Sperrklinke 126 im Uhrzeigersinn um den Drehmittelpunkt 152. Diese Schwenkbewegung der Sperrklinke 126 im Uhrzeigersinn ist der Wirkung der Kraft der Feder 142, 144 entgegengerichtet und bewegt die Eingriffsfläche 86 von dem Kontakt mit der Radialfläche 136 an dem Innenlaufring 122 weg, d. h. sie schwenkt die Sperrklinke 126 in eine Außereingriffsposition und ermöglicht ein Freilaufen der Kupplung 120 und deren Außereingriff.
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12 zeigt eine Sperrklinke 160 mit einer bevorzugten Konfiguration. Die Reaktionsfläche 162 und die Fläche 164, die beide konvexe kreisförmig zylindrische Flächen sind, die sich über die Dicke der Sperrklinke 160 erstrecken und ihren Mittelpunkt bei 166 und 168 haben, sind über eine Verbindungsfläche 170 miteinander verbunden, welche leicht konkav ist. Eine ebene Seitenfläche 172, die tangential zu der Fläche 164 verläuft, erstreckt sich zu einer konvexen Innenfläche 174, von welcher sich eine andere ebene Druckfläche 176, die tangential zu der Innenfläche 174 verläuft, zu einer konvexen Außenfläche 178 erstreckt, welche benachbart zu einer Eingriffsfläche 180 angeordnet ist. Eine konvexe kreisförmig zylindrische Seitenfläche 182 geht in die Reaktionsfläche 162 über. Eine Klinkenfläche 184, die eine andere konvexe kreisförmig zylindrische Fläche ist, welche sich von der Eingriffsfläche 180 zu der Seitenfläche 182 erstreckt, ist die Sperrklinkenfläche, welche die Nockenflächen 194 kontaktiert, wenn die Kupplung freiläuft.
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13–18 zeigen den Bewegungsablauf der Sperrklinke 160, wenn sich der Außenlaufring 24 relativ zu dem Innenlaufring 22 im Uhrzeigersinn dreht. Wenn die Kupplung außer Eingriff ist oder freiläuft, gleitet die Klinkenfläche 184 der Sperrklinke 160 über die Nockenflächen 194 an dem Außenlaufring 24. Wenn die Kupplung in Eingriff ist, greift die Eingriffsfläche 180 in eine der Nuten 32 an dem Außenlaufring 24 ein.
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13 zeigt die Sperrklinke 160, die nahezu vollständig in die Ausnehmung 28 des Innenlaufrings 22 zurückgezogen ist, wenn die Klinkenfläche 184 den Außenlaufring 24 an dem Scheitelpunkt 186 der Nockenfläche 194 kontaktiert. In dieser Position drückt die auf die Druckfläche 176 wirkende Kraft der Feder 44 die Klinkenfläche 184 in Kontakt mit der Nockenfläche 194, die erste Seitenfläche 182 kontaktiert die Seitenwand der Aussparung 28 im Punkt A, und die zweite Seitenfläche 172 kontaktiert die Seitenwand der Aussparung 28 im Punkt B. Die Zentrifugalkraft CF der Sperrklinke 160, die radial von der Mittelachse 30 durch den Massenschwerpunkt der Sperrklinke 160 ausgerichtet ist, drückt die Sperrklinke 160 im Uhrzeigersinn, was einen Kupplungseingriff bewirkt. Eine senkrecht zu der Tangente an der Sperrklinke 160 im Punkt A verlaufende Linie 188 schneidet eine senkrecht zu der Tangente an der Sperrklinke 160 im Punkt B verlaufende Linie 192 bei 190. Dieser Schnittpunkt 190 ist der Momentanpol, um welchen die Sperrklinke 160 in der Aussparung 28 im Uhrzeigersinn schwenkt.
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14 zeigt die Sperrklinke 160, die infolge einer Drehung des Außenlaufrings 24 um seine Mittelachse 30 um zwei Grad im Uhrzeigersinn aus der in 13 gezeigten Position geschwenkt ist. Die Klinkenfläche 184 hält den Kontakt mit der Nockenfläche 194, deren Scheitelpunkt 186 sich von der Eingriffsfläche 180 der Sperrklinke 160 weg bewegt hat. Die erste und die zweite Seitenfläche 182, 172 der Sperrklinke 160 kontaktieren auch die Seitenwände der Aussparung 28 in den Punkten A und B, welche sich aus ihren Positionen in 13 bewegt haben. Der Momentanpol ist auch zu 190 verschoben.
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15 zeigt den Außenlaufring 24, der aus der in 13 gezeigten Position um seine Mittelachse 30 um fünf Grad im Uhrzeigersinn gedreht ist. Die Klinkenfläche 184 der Sperrklinke 160 hält den Kontakt mit der Nockenfläche 194, und die erste und die zweite Seitenfläche 182, 172 der Sperrklinke 160 kontaktieren auch die Seitenwände der Aussparung 28 im Punkt A an der Seitenfläche 182 und im Punkt B an der Seitenfläche 172, welche sich aus den Positionen in 13 und 14 bewegt haben. Der Momentanpol ist zu 190 verschoben.
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16 zeigt den Außenlaufring 24, der aus der in 13 gezeigten Position um seine Mittelachse 30 um acht Grad im Uhrzeigersinn gedreht ist. Die Klinkenfläche 184 der Sperrklinke 160 hält den Kontakt mit der Nockenfläche 194, und die erste und die zweite Seitenfläche 182, 172 der Sperrklinke 160 kontaktieren die Seitenwände der Aussparung 28 im Punkt A an der Seitenfläche 182 und im Punkt B, welcher sich zu der zylindrischen Fläche 164 bewegt hat. Der Momentanpol ist zu 190 verschoben.
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17 zeigt den Außenlaufring 24, der aus der in 13 gezeigten Position um seine Mittelachse 30 um elf Grad im Uhrzeigersinn gedreht ist. Die Klinkenfläche 184 der Sperrklinke 160 hält den Kontakt mit der Nockenfläche 194, und die erste und die zweite Seitenfläche 182, 172 der Sperrklinke 160 kontaktieren die Seitenwände der Aussparung 28 im Punkt A, welcher nunmehr an oder nahe der zylindrischen Reaktionsfläche 162 liegt, und im Punkt B, welcher an der konvexen zylindrischen Fläche 164 liegt. Der Momentanpol ist zu 190 verschoben.
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18 zeigt die Kupplung, die infolge einer Drehung des Außenlaufrings 24 um seine Mittelachse 30 um vierzehn Grad im Uhrzeigersinn aus der in 13 gezeigten Position in Eingriff steht. Infolge dieser Drehung hat sich die Nockenfläche 194 über die Klinkenfläche 184 bewegt, wodurch die Eingriffsfläche 180 der Sperrklinke 160 mit der Nut 32 in Eingriff gebracht wurde. Danach drehen sich der Innenlaufring 22 und der Außenlaufring 24 als eine Einheit im Uhrzeigersinn. Die Klinkenfläche 184 hält den Kontakt mit der Nockenfläche 194, und die Reaktionsfläche 162 der Sperrklinke 160 kontaktiert die Antriebsfläche 200 der Aussparung 28 im Punkt A, welcher nunmehr nahe dem Mittelpunkt der Reaktionsfläche 162 und der Antriebsfläche 200 liegt. Jedoch kontaktiert die Sperrklinke 160 nicht mehr die Seitenwand der Aussparung 28 im Punkt B. In Reaktion auf die Eingriffskraft K, die durch den Außenlaufring 24 auf die Eingriffsfläche 180 ausgeübt wird, wird eine Kraft im Punkt A entwickelt.
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Vorzugsweise ist der Radius der Reaktionsfläche 162 gleich oder im Wesentlichen gleich dem Radius der Antriebsfläche 200, so dass diese Flächen in Eingriff stehen, wenn die Kupplung in Eingriff ist, wie in der Position in 18 gezeigt ist. Wenn die Kupplung in Eingriff ist, ist die erste Seitenfläche 182 der Sperrklinke 160 im Abstand von der benachbarten ersten Führungsfläche 196 angeordnet, die Verbindungsfläche 170 ist infolge ihrer leichten Konkavität im Abstand von der benachbarten ebenen Grundfläche 198 angeordnet, die konvexe Fläche 164 ist im Abstand von der benachbarten konkaven Eckfläche der Aussparung 28 angeordnet, und die zweite Seitenfläche 172 der Sperrklinke 160 ist im Abstand von der benachbarten Seitenwand der Aussparung 28 angeordnet. Der einzige Kontakt zwischen der Sperrklinke 160 und der Aussparung 28 bei Eingriff der Kupplung ist im Punkt A, wo die konkave Antriebsfläche 200 der Aussparung 28 mit der konvexen Reaktionsfläche 162 der Sperrklinke 160 in Eingriff steht. Wenn die Kupplung in Eingriff ist, kontaktiert die Eingriffsfläche 180 die Nut 32, und die Klinkenfläche 184 kontaktiert die Nockenfläche 194, wodurch sichergestellt wird, dass die Sperrklinke 160 mit der Antriebsfläche 200 der Aussparung 28 im Punkt A in Eingriff steht, wo die Hauptreaktion auf die Kraft K an der Sperrklinke 160 ausgeübt wird.
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Wenn die Kupplung in Eingriff ist, drehen sich der Innenlaufring 22 und der Außenlaufring 24 als eine Einheit im Uhrzeigersinn, bis die Kupplung infolgedessen, dass sich der Innenlaufring 22 im Uhrzeigersinn schneller dreht als der Außenlaufring 24 oder dass sich der Außenlaufring 24 relativ zu dem Innenlaufring 22 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn dreht, wieder freiläuft. Wenn die Kupplung freiläuft, trennt sich die Eingriffsfläche 180 von der Nut 32, und die Klinkenfläche 184 der Sperrklinke 160 bewegt sich relativ zu der Nockenfläche 194 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn, wodurch die Sperrklinke 160 entgegengesetzt zum Uhrzeigersinn in ihre Aussparung 28 in die in 13 gezeigte Position geschwenkt wird.
