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Die Erfindung bezieht sich auf eine Freilaufkupplung mit einem Innenring und einem Außenring und einer zwischenliegenden Kurvenbahn mit darin aufgenommenem Wälzkörper.
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Stand der Technik
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In der
WO 88/02816 A1 wird eine Freilaufkupplung für einen Starter für eine Brennkraftmaschine beschrieben. Die Freilaufkupplung weist einen Innenring und einen umgreifenden Außenring auf, zwischen denen eine Kurvenbahn mit darin aufgenommenen Wälzkörpern angeordnet ist, welche durch die Kraft von Federelementen in eine Position beaufschlagt sind, in der der Innen- und der Außenring gemeinsam umlaufen. Bei einer Umkehrung der Drehrichtung werden die Wälzkörper aus der blockierenden Position in eine Freigabeposition in der Kurvenbahn verstellt, in der eine Relativdrehung zwischen Innen- und Außenring möglich ist. Die Kurvenbahn ist an ihrer Außenseite von dem kreisförmigen Innendurchmesser des Außenrings begrenzt und an ihrer Innenseite von der Kontur auf der Mantelfläche des Innenrings, wobei in die Kontur radiale Vertiefungen und Erhöhungen eingebracht sind, welche die Freigabe- und Blockierposition bestimmen.
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Maßgeblich für die Kraft, welche erforderlich ist, um die Freilaufkupplung von der Blockier- in die Freigabeposition zu verstellen, ist der Klemmwinkel, der den Winkel zwischen den Tangenten im Berührpunkt des Wälzkörpers zur Außen- bzw. Innenbahn bezeichnet. In der Freigabeposition fällt die Außenkontur des Innenrings radial nach innen ab, so dass in dieser Position der Klemmwinkel bei der Ausführung gemäß der
WO 88/02816 A1 den größten Wert einnimmt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Freilaufkupplung ist aus der
CN 201190747 bekannt. Die Kurvenbahn zwischen Innen- und Außenring weist sowohl im Bereich ihrer Innenbahn als auch ihrer Außenbahn jeweils Kreisform auf, jedoch mit nicht-konzentrischen Kreismittelpunkten, so dass der Klemmwinkel über die Länge der Kurvenbahn zumindest annähernd konstant bleibt.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine Freilaufkupplung, die einen Innenring und einen Außenring mit zwischenliegender Kurvenbahn und einem in der Kurvenbahn aufgenommenen Wälzkörper aufweist, so auszubilden, dass die Belastung der Bauteile der Freilaufkupplung reduziert ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Die erfindungsgemäße Freilaufkupplung weist zwei als Innenring und Außenring ausgebildete Ringkörper auf, zwischen denen eine Kurvenbahn mit einem darin aufgenommenen Wälzkörper angeordnet ist. Über den Umfang können mehrere Kurvenbahnen zwischen Innen- und Außenring mit jeweils einem darin aufgenommenen Wälzkörper vorgesehen sein, wobei sich jede Kurvenbahn über ein begrenztes Winkelsegment erstreckt. Die Wälzkörper sind beispielsweise zylindrisch oder kugelig ausgebildet. Jede Kurvenbahn wird radial innen von einer Innenbahn an der Mantelfläche des Innenrings und radial außen von einer Außenbahn an der Innenseite des Außenrings begrenzt. Die Kurvenbahnen weisen eine Blockier- und eine Freigabeposition für den aufgenommenen Wälzkörper auf, der durch die Kraft eines Federelementes in Richtung der Blockierposition beaufschlagt ist. In der Blockierposition weist die Kurvenbahn einen verjüngten Querschnitt, in der Freigabeposition einen erweiterten Querschnitt auf, wobei in der Blockierposition eine Momentenübertragung zwischen den zueinander blockierten Ringkörpern möglich ist und in der Freigabeposition die Ringkörper sich relativ zueinander verdrehen können, so dass keine Momentenübertragung möglich ist.
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Die Kurvenbahn ist in der Weise ausgebildet, dass der Klemmwinkel, welcher den halben Winkel zwischen den Tangenten an die Innenbahn und die Außenbahn, jeweils im Kontaktpunkt zum Wälzkörper, bezeichnet, sich über die Länge der Kurvenbahn ändert. Der Klemmwinkel nimmt in Richtung auf das sich im Querschnitt verjüngende Kurvenbahnende zu, also in Richtung der Blockierposition. Im Bereich der Blockierposition weist die Kurvenbahn zweckmäßigerweise den größten Klemmwinkel auf, im gegenüberliegenden Endbereich der Kurvenbahn, also der Freigabeposition, dagegen den kleinsten Klemmwinkel bzw. einen Klemmwinkel gleich null.
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Diese Ausführung hat den Vorteil, dass sowohl Normalkräfte, also Kräfte in Radialrichtung, als auch Tangentialkräfte, also Kräfte in Umfangsrichtung reduziert sind, so dass insgesamt die Belastung der Bauteile der Freilaufkupplung ohne Einschränkung der Funktionalität verringert ist. Die Belastungen betreffen somit Spannungen und Kräfte in Radialrichtung und in Umfangsrichtung. Außerdem ist die Führung und Lagerung des Außenringes verbessert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung setzt sich die Kurvenbahn aus drei Kurvenbahnabschnitten zusammen, die sich jeweils in ihrem Klemmwinkel voneinander unterscheiden. Hierbei nimmt der Klemmwinkel von Kurvenbahnabschnitt zu Kurvenbahnabschnitt in Richtung des sich im Querschnitt verjüngenden Kurvenbahnendes zu. In Betracht kommen Ausführungen, bei denen der Klemmwinkel innerhalb eines Kurvenbahnabschnittes konstant oder zumindest annähernd konstant ist, aber auch Ausführungen, bei denen sich der Klemmwinkel innerhalb eines Kurvenbahnabschnittes zwar ändert, jedoch das mittlere Klemmwinkelniveau sich zwischen den verschiedenen Kurvenbahnabschnitten unterscheidet. Um einen Klemmwinkelsprung im Übergang von einem zum nächsten Kurvenbahnabschnitt zu vermeiden, sind die Übergänge vorteilhafterweise abgerundet.
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Gemäß einer zweckmäßigen Ausführung liegt der Klemmwinkel in dem Kurvenbahnabschnitt, welcher benachbart zu dem sich verjüngenden Kurvenbahnende liegt und der somit die Blockierposition des Wälzkörpers beinhaltet, in einem Winkelbereich zwischen 4° und 5°. Der mittlere Kurvenabschnitt weist beispielsweise einen Klemmwinkel im Bereich zwischen 2° oder 2.5° und 3° auf, der Kurvenbahnabschnitt mit dem größten Querschnitt kann dagegen einen Klemmwinkel von 0° besitzen. Wie vorbeschrieben ist es möglich, dass innerhalb jedes Kurvenbahnabschnittes entweder der Klemmwinkel konstant ist oder der mittlere Klemmwinkel, bei nicht-konstantem Winkelverlauf, in dem vorgenannten Wertebereich liegt.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind die einzelnen Kurvenbahnabschnitte im Bereich entweder der Innenbahn oder der Außenbahn jeweils teilkreisförmig ausgebildet, sie weisen jedoch versetzte Kurvenmittelpunkte und ggf. unterschiedliche Radien auf. Die jeweils radial gegenüberliegende Begrenzungsbahn kann dagegen, gemäß noch einer zweckmäßigen Ausführung, durchgehend, also über alle Kurvenbahnabschnitte hinweg, teilkreisförmig ausgeführt sein. Beispielsweise kann die Innenbahn kreis- bzw. teilkreisförmig ausgebildet sein, so dass die Mantelfläche des Innenrings zylindrisch ausgeführt sein kann und keine radialen Erhöhungen bzw. Vertiefungen aufweist. Die Außenbahn setzt sich dagegen aus den verschiedenen teilkreisförmigen Abschnitten mit versetzten Kurvenmittelpunkten zusammen.
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Grundsätzlich kommt aber auch eine umgekehrte Ausführung in Betracht, bei der die Außenbahn der Kurvenbahn kreis- bzw. teilkreisförmig ausgeführt ist und die Innenbahn sich aus verschiedenen teilkreisförmigen Abschnitten mit versetzten Kurvenmittelpunkten zusammensetzt.
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Die Freilaufkupplung kann beispielsweise in einem Starter für eine Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Die Freilaufkupplung erlaubt eine Übertragung der Drehbewegung in Antriebsrichtung eines elektrischen Startermotors; in dieser Betriebsphase stehen die Wälzkörper in der Blockierposition. Nach dem Anlaufen der Brennkraftmaschine und der Umkehrung der Antriebsrichtung werden die Wälzkörper in die Freilaufposition verstellt und die Kopplung zwischen Innen- und Außenring der Freilaufkupplung aufgehoben.
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Bei dem Innenring handelt es sich zweckmäßigerweise um einen Stützbund, welcher einteilig mit einem Starterritzel des Starters ausgebildet sein kann, und bei dem Außenring um einen Mitnehmer, welcher von dem elektrischen Startermotor angetrieben wird.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Starter für eine Brennkraftmaschine mit einem Starterritzel, das axial über ein Starterrelais verstellbar und über einen elektrischen Startermotor drehend anzutreiben ist, wobei der Starter mit einer Freilaufkupplung ausgestattet ist,
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2 einen Schnitt durch die als Rollenfreilauf ausgebildete Freilaufkupplung,
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3 in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf die Freilaufkupplung,
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4 einen Ausschnitt aus der Freilaufkupplung.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Der in 1 dargestellte Starter 1 für eine Brennkraftmaschine weist ein Starterritzel 2 auf, das zum Starten der Brennkraftmaschine 4 in Eingriff mit einem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine gebracht wird. Das Starterritzel 2 ist auf einer Welle 5 wie mit dem Doppelpfeil gekennzeichnet axial verschieblich gelagert, wobei das Starterritzel 2 drehfest mit der Welle 5 gekoppelt ist. Das Starterritzel 2 wird zwischen einer zurückgezogenen Außerfunktionsposition und einer vorgerückten Eingriffsposition mit dem Zahnkranz 3 der Brennkraftmaschine 4 über ein Starterrelais 6 verstellt, das elektromagnetisch ausgebildet ist und eine bestrombare Relaiswicklung 7 sowie einen Hubanker 8 umfasst, der bei Bestromung der Relaiswicklung 7 in diese axial hineingezogen wird. Der Hubanker 8 ist über einen Einrückhebel 9 kinematisch mit dem Starterritzel 2 gekoppelt, so dass die axiale Verstellbewegung des Hubankers 8 zwischen einer Ruheposition und einer Verstellposition in eine korrespondierende axiale Stellbewegung des Starterritzels 2 zwischen der Außerfunktionsposition und der Eingriffsposition eingesetzt wird.
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Die drehende Antriebsbewegung auf die Welle 5 bzw. das Starterritzel 2 wird mithilfe eines elektrischen Startermotors 11 erzeugt, der über ein Getriebe 12, beispielsweise ein Planetengetriebe mit der Welle 5 gekoppelt ist. Bei einer Betätigung des elektrischen Startermotors 11 wird die Welle 5 und damit auch das Starterritzel 2 in Drehung versetzt.
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Dem Starter 1 ist ein Regel- bzw. Steuergerät 10 zugeordnet, über das die Funktionen des Starterrelais 6 sowie des Startermotors 11 gesteuert werden.
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Bei einer axialen Stellbewegung des Hubankers 8 bei Betätigung des Starterrelais 6 wird bei Erreichen der Verstellposition durch eine kinematische Kopplung des Schaltgliedes mit der Stellbewegung des Hubankers 8 der elektrische Strom für den Startermotor 11 eingeschaltet, so dass sich der Startermotor 11 in Bewegung setzt und die Welle 5 sowie das Starterritzel 2 drehend antreibt.
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Wie 1 in Verbindung mit der Schnittdarstellung gemäß 2 zu entnehmen, ist der Starter 1 mit einer Freilaufkupplung 14 versehen, die als Rollenfreilauf ausgebildet ist. Der Einrückhebel 9 wirkt auf ein Federelement 13, das einen Mitnehmer 15 des Rollenfreilaufs 14 axial kraftbeaufschlagt, wobei mit dem Mitnehmer 15 ein Stütz- bzw. Rollenbund 16 des Rollenfreilaufs 14 zusammenwirkt und der Stützbund 16 einteilig mit dem Starterritzel 2 ausgebildet ist. Der Mitnehmer 15 wird von dem elektrischen Startermotor 11 angetrieben. Der Rollenfreilauf 14 erlaubt eine Übertragung der Drehbewegung in Antriebsrichtung des elektrischen Startermotors 11. Sobald jedoch nach dem Starten der Brennkraftmaschine 4 die Drehgeschwindigkeit des Zahnkranzes 3 so hoch wird, dass die Antriebsrichtung umgekehrt wird, wird über den Rollenfreilauf 14 die kinematische Kopplung zwischen Mitnehmer 15 und Stützbund 16 aufgehoben.
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Der Mitnehmer 15 bildet in der Freilaufkupplung 14 einen Außenring, der die Stirnseite des Stützbundes 16, welcher den Innenring bildet, topfförmig übergreift. Zwischen dem Außenmantel des Stützbundes 16 und der Innenwand des Mitnehmers 15 sind über den Umfang verteilt mehrere Wälzkörper 17 angeordnet, die als Stützrollen ausgebildet und jeweils in einer Kurvenbahn 18 zwischen Mitnehmer 15 und Stützbund 16 aufgenommen sind und in der Kurvenbahn 18 je nach Antriebsrichtung zwischen einer ein Antriebsmoment übertragenden Blockierposition und eine Freigabeposition verstellbar sind. In der Blockierposition sind Mitnehmer 15 und Stützbund 16 in Drehrichtung gekoppelt, in der Freigabeposition entkoppelt.
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Die Kurvenbahn 18, in der die Wälzkörper 17 zwischen der Freigabe- und der Blockierposition verstellbar angeordnet sind, wird radial nach innen von der Mantelfläche des Stützbundes 16 begrenzt, welcher den Innenring bildet, und radial nach außen von der Innenseite des Mitnehmers 15, welcher den Außenring bildet. Die Mantelfläche des Stützbundes 16 bildet demgemäß die Innenbahn 20 der Kurvenbahn 18 und die Innenseite des Mitnehmers 15 die Außenbahn 19 der Kurvenbahn 18.
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In 3 ist schematisch eine Draufsicht auf eine Freilaufkupplung 14 dargestellt. Über den Umfang sind mehrere Wälzkörper 17 zwischen dem Außenring 15 und dem Innenring 16 angeordnet, die jeweils in einer Kurvenbahn 18 in Umfangsrichtung verschieblich platziert sind. Der Querschnitt der Kurvenbahn 18 verjüngt sich zu einem Kurvenbahnende hin und erweitert sich zum gegenüberliegenden Kurvenbahnende. Jeder Wälzkörper 17 ist von einem Federelement 21, das sich am Außenring 15 abstützt, in die Blockierposition kraftbeaufschlagt, also in Richtung des sich im Querschnitt verjüngenden Kurvenbahnendes.
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In 4 ist der Klemmwinkel α eingetragen, der den Winkel zwischen den Tangenten an die Außenbahn 19 bzw. die Innenbahn 20 im Kontaktpunkt des Wälzkörpers 17 an die jeweilige Bahn bezeichnet. Die Kurvenbahn 18 mit Außenbahn 19 und Innenbahn 20 ist so ausgebildet, dass der Klemmwinkel α in Richtung des im Querschnitt verjüngten Kurvenbahnendes zunimmt. Dementsprechend ist der Klemmwinkel α im Bereich des verjüngten Kurvenbahnendes am größten und im Bereich des gegenüberliegenden, den größten Querschnitt aufweisenden Kurvenbahnendes am kleinsten.
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Die Innenbahn 20 am Innenring 16 ist kreisförmig ausgeführt. Die Außenbahn 19 am Außenring 15 setzt sich aus drei einzelnen, kreisförmigen Kurvenbahnabschnitten 19a, 19b und 19c zusammen, denen die Radien r1, r2 und r3 zugeordnet sind. Die Kurvenbahnabschnitte 19a, b, c weisen versetzte Kurvenbahnmittelpunkte C1, C2 und C3 auf.
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Aufgrund des sich in Richtung des verjüngten Kurvenbahnquerschnitt zunehmenden Klemmwinkels α ergibt sich ein Verlauf der Außenbahn 19, der sich von einer herkömmlichen Außenbahn 19’ (mit gestrichelter Linie dargestellt) unterscheidet. Zu erkennen ist, dass bei der Ausführung der Außenbahn mit durchgezogenem Strich im Bereich des vergrößerten Querschnittendes der Kurvenbahn eine größere Wandstärke des Außenrings 15 gegeben ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung beträgt die Wandstärke t2 gegenüber der verringerten Wandstärke t1 bei der herkömmlichen Ausführung gemäß der Außenbahn 19’.
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Im Bereich des gegenüberliegenden, verjüngten Kurvenbahnquerschnittes ist dagegen der Kurvenbahnabschnitt 19a gegenüber der gestrichelten Kurve 19’ radial weiter nach innen gezogen, so dass sich eine stärkere Querschnittsverjüngung einstellt.
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Innerhalb jedes Kurvenbahnabschnittes 19a, 19b, 19c ist der Klemmwinkel α zumindest annähernd konstant. Im Bereich des verjüngten Kurvenbahnabschnittendes liegt der Klemmwinkel α in einem Wertebereich zwischen 4° und 5°, im mittleren Kurvenbahnabschnitt 19b in einem Bereich zwischen 2.5° und 3° und im vorderen Bereich, welcher den größten Querschnitt aufweist, besitzt der Kurvenbahnabschnitt 19c einen Klemmwinkel α, der annähernd bei 0° liegt.
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Die Innenbahn 20 ist durchgehend kreisförmig ausgebildet und weist den Radius r4 auf, der den gleichen Kreismittelpunkt C3 wie der Radius r3 des Kurvenbahnabschnittes 19c mit dem größten Querschnitt besitzt. Somit liegt der Kurvenbahnabschnitt 19c konzentrisch zur Innenbahn 20.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 88/02816 A1 [0002, 0003]
- CN 201190747 [0004]
