DE2204305B2 - Klemmkörper für Freilaufkupplungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Klemmkörper für eine Freilaufkupplung mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Laufringen mit gegenüberliegenden, zylindrischen Klemmbahnen, an denen jeweils eine konvexe Klemmfläche des Klemmkörpers längs einer geraden Berührungslinie anliegt, wobei der Klemmwinkel abhängig ist von der Kippbewegung des Klemmkörpers.

Derartige Klemmkörper sind in zahlreichen Ausführungsformen bekannt Ihre konvexen Klemmflächen sind so zueinander angeordnet, daß die Kippbewegung der Klemmkörper eine Änderung der Klemmkörperhöhe in radialer Richtung der Kupplung bewirkt. Zur Einleitung des Einkuppelvorganges werden die Klemmkörper meist durch Federn an die Klemmbahnen der Laufringe gedruckt. Da die Ursache der Kippbewegung in den zwischen Klemmfläche und Klemmbahn auftretenden Reibungskräften liegt, hängt die Richtung der Kippbewegung von der Relativbewegung der beiden Laufringe zueinander ab. So führt die Relativbewegung in der einen Richtung zu einer die radiale Klemmkörperhöhe und damit auch die wirksamen Reibungskräfte verringernden Kippbewegung, d. h. zum Freilaufbetrieb, während die Relativbewegung in der anderen Richtung eine die radiale Klemmkörperhöhe und damit auch die Reibungskräfte vergrößernde Kippbewegung des Klemmkörpers bewirkt, so daß die Kupplung kraftschlüssig wird und ein Drehmoment vom treibenden zum getriebenen Laufring übertragen wird.

Durch die Zeitschrift »Antriebstechnik«, 1967, Nr. 5, Seiten 172 bis 175 und durch die DE-OS 14 50 158 ist es bekannt, die Klemmflächen mit einer logarithmischen Kurvenform zu versehen. Dadurch bleibt beim Kippen des Klemmkörpers ein konstanter Klemmwinkel erhalten. Dies hat den Vorteil, daß Kippbewegungen der s Klemmkörper infolge Unrundheit eines Laufringes oder infolge nicht genau zentrischer Lagerung beider Laufringe keinen Einfluß auf den Klemmwinkel haben und es können deshalb relativ große Exzentritäten zwischen den Laufringen überbrückt werden, ohne daß

ίο ein Rutschen eintritt Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß man zur Einleitung des EinkuppelVorganges einen möglichst kleinen KJemmwinkel anstrebt, um eine zum sicheren Durchstoßen des Schmiermittelfilmes auf den Klemmpartnern ausreichende Normal- kraft sicherzustellen, wohingegen nach dem Eingriff der Kupplung ein möglichst hoher Klemmwinkel günstig ist, um die Normalkräfte im Verhältnis zu den Umfangskräften möglichst klein zu halten.

Um einen derartigen Verlauf des Klemmwinkels in

Abhängigkeit von der Kippbewegung des Kiemmkörpers herbeizuführen, ist es durch die DE-PS 11 99 066 und die US-PS 25 97 241 bekannt, zumindest die eine K.lei;unRäche des Klemmkörper? aus mehreren ineinander übergehenden, achsparallelen Zylinderabschnitten verschiedener Radien zusammenzusetzen. Dabei liefert jeder Zylinderabschnitt eine besondere Klemmwinkelcharakteristik in Abhängigkeit von der Kippbewegung des Klemmkörpers, etwa in der Weise, daß der Klemmwinkel zu Beginn des Einkuppeins einen Minimalwert hat, während er mit zunehmender Drehmomentübertragung und der damit einhergehenden Kippbewegung des Klemmkörpers ansteigt Zusätzlich kann der Klemmwinkel auch in dem Kippbereich zwischen Einkuppelzustand und Freilaufzustand ansteigen, um ein rasches Freiwerden der Klemmflächen von den Klemmbahnen der Laufringe bei geringem Verdrehwinkel zu erreichen.

Nachteilig bei diesen bekannten Klemmkörpern ist jedoch die Tatsache, daß die aneinandergesetzten Zylinderabschnitte einer Klemmfläche an ihrer Verbindungsstelle einen scharfen Knick k, der Klemmwinkelkurve hervorrufen. Dadurch ergibt sich im Einkuppelbereich der Klemmwinkelkurve nur ein schmaler Bereich der Klemmkörperhöhe bzw. der Kippstellung, in dem der Klemmwinkel ausreichend klein ist, um ein sicheres Durchdringen des ölfilmes durch den Klemmkörper zu gewährleisten. Dieser schmale Bereich läßt sich in der Praxis nicht über den gesamten Umfang der Freilaufringe aufrechterhalten. Es muß vielmehr mit radialen Verlagerungen von deren Klemmbahnen in der Größenordnung von ca. '/io mm gerechnet werden, so daß die den Einkuppelvorgang ermöglichende Kippstellung nur an einzelnen Stellen des Umfanges der Freilaufkupplung angetroffen wird. Die Folge ist ungleichmäßiges Tragen, erhöhte Materialbeanspruchung und eine Minderung des maximal übertragbaren Drehmomentes. Dieselben Probleme treten in verstärktem Maße bei solchen Kupplungen auf, die entsprechend der DE-PS 10 79 904 zur gleichmäßigeren

Klemmflächenabnutzung einen längs des Umfanges sich periodisch und stetig ändernden radialen Abstand zwischen innerer und äußerer Klemmbahn aufweisen.

Zwar ließe sich eine flachere Charakteristik der Klemmwinkelkurve im Einkuppelbereich durch das

Aufteilen der Klemmfläche in weitere achsparallele Zylinderabschnitte mit feinabgestuften Radien erzielen. Dadurch würde jedoch der ohnehin schon große Aufwand für die Herstellung der die Klemmkörper

formenden Ziehmatritzen noch weiter erhöht.

Hiervon ausgehend, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Klemmkörper zu schaffen, der im Einkuppelbereich eine zum sicheren Durchstoßen des Schmierfilmes ausreichende, aber nicht unnötig hohe Normalkraft liefert, und zwar insbesondere bei an verschiedenen Stellen des Umfanges verschieden großem radialen Abstand zwischen äußerer und innerer Klemmbahn des Freilaufes. Ferner soll der beschriebene Klemmwinkelanstieg bei Drehmomentbelastung mögliehst rasch erfolgen, wobei die Klemmkörper bei geringem Verdrehwinkel eine große Höhenzunahme aufweisen sollen, um elastische Verformungen der Freilaufringe gut überbrücken zu können. Außerdem sollen die Klemmkörper bei Verdrehung im Entkuppelsinn nach Durchschreiten des Einkuppelbereiches eine möglichst rasche Höhenabnahme bsi kleinem Verdrehwinkel aufweisen und schließlich sollen sie eine verhältnismäßig einfache Herstellung der Ziehmatritzen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest eine Klemmfiäche als Evolventen-Zylinder ausgebildet ist Dabei ist aus Gründen der einfacheren Herstellung ein Kreiselvolventtfiprofil am zweckmäßigsten. Die erfindungsgemäße Anwendung einer Evolvente bietet als Grenzfall unendlich vieler aneinandergereihter, achsparalleler Kreiszylinder von unendlich feiner Radiusabstufung einen ideal kontinuierlichen Verlauf der Klemmflächenkrümmung bei einem Minimum an technischem Herstellungsaufwand, Dementsprechend wird auch der Verlauf der Klemmwinkelkurve in dem kritischen Bereich des Einkuppeins derart geglättet, daß der Klemmwinkel seinen Minimalwert über einen breiten Kippbereich nahezu konstant hält, wobei er aus dem Einkuppelbereich heraus sowohl bei geringerer als auch bei größerer radialer Klemmkörperhöhe bzw. Kippstellung stetig zunimmt

Im allgemeinen läßt sich durch eine Mittelpunktsverschiebung oder eine Radiusveränderung des Grundkreises der Evolvente jede gewünschte Klemmkurvencharakteristik erzielen. In Sonderfällen besteht jedoch auch die Möglichkeit, daß der Evolventen-Zylinder aus Evolventen verschiedener Grundkreise zusammengesetzt ist. Diese können dann unmittelbar ineinander übergehen oder durch einen die beiden Evolventen-Zylinder tangierenden Kreiszylinder verbunden sein.

Vorteilhafterweise ist das Evolventenprofil an der mit dem inneren Laufring in Berührung stehenden inneren Klemmfiäche des Klemmkörpers vorgesehen, wohingegen seine äußere Klemmfiäche als Kreiszylinder ausgebildet ist, dessen Achse in an sich bekannter Weise durch den Schwerpunkt des Klemmkörpers hindurchgeht. Hierdurch läßt sich der Vorteil, daß die bei höheren Drehzahlen der Freilaufkupplung in Betracht zu ziehende Fliehkraft keinen Einfluß auf die Kippbewegung des Klemmkörpers hat, auch auf solche Klemmkörper übertragen, bei denen die eine Klemmfläche als Evolventen-Zylinder ausgebildet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; dabei zeigt

Fig. 1 die wichtigsten am Klemmkörper angreifenden Kräfte bei Drehmomentübertragung,

Fig.2 einen bekannten Klemmkörper mit einer aus zwei Zylinderabschnitten zusammengesetzten Klemmflächen,

F i g. 3 die zu dem Klemmkörper gemäß Fig. 2 gehörige Klemmwinkelkurve,

F i g. 4 einen erfindungsgemäßen Klemmkörper mit Evolventenprofil und

Fig.5 die zu dein Klemmkörper gemäß Fig.4 gehörige Klemmwinkelkurve.
F i g. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die an einem Klemmkörper angreifenden Kräfte unter Vernachlässigung des Eigengewichtes, der durch eine Feder im allgemeinen erzeugten Rückstellkraft und der bei Rotation auftretenden Fliehkraft Mit H₁, H, sind die reibungsbedingten Umfangskräfte an der äußeren bzw.

ίο der inneren Klemmfiäche bezeichnet Die von ihnen hervorgerufenen senkrecht auf der Klemmfläche stehenden Normalkräfte heißen an der äußeren Klemmfläche N₁ und an der inneren Klemmfläche M Die Drehachse der nicht näher dargestellten Kupplung fällt mit der Zylinderachse der äußeren und der inneren Klemmbahn der Laufringe zusammen und geht durch den Punkt M. Die Punkte M₁ und Af, fixieren die Achse der kreiszylindrischen äußeren bzw. inneren Klemmfläche.

Als Bedingung für den in F i g. 1 dargestellten Gleichgewichtszustand eines Klemmkörpers müssen die resultierenden Kräfte von Mj um' H, bzw. von Mund Hi auf der gleichen Wirkungslinie iitgrη und einander entgegengesetzt gleichgroß sein. Es gilt:

HJN₁ = tan ε, und
Hi/Ni = tan ε*

Der Tangens des eingangs definierten Klemmwinkels ε gibt somit das Verhältnis von Umfangskraft zu

je Normalkraft an. Infolge der geringen Winkelbeträge kann dieses Verhältnis in guter Näherung direkt dem im Bogenmaß gemessenen Klemmwinkel gleichgesetzt werden. Ein geringer Klemmwinkel bedeutet, daß bereits kleine Umfangskräfte eine relativ große Normalkraft verursachen. Dieser Zustand ist beim Einkuppeln erwünscht, damit alle Klemmkörper mit Sicherheit den zwischen Klemmbahnen und Klemmflächen befindlichen Ölfilm durchdringen und der darauf sich einstellende höhere Reibungsbeiwert ausgenutzt werden kann. Bei einem großen Klemm wink ύ wird dagegen die Umfangskraft in einem geringeren Maße in Normalkraft umgesetzt Dieser Zustand ist bei Höchstlast erwünscht, um die Hertzsche Pressung an den Klemmflächen möglichst gering zu halten. Allerdings

«5 muß der Klemmwinkel stets unterhalb des maximal möglichen Haftreibungswinkels bleiben, da anderenfalls die Kupplung durchrutscht

Aufgrund dieser Zusammenhänge sind Klemmkörper bekannt deren Klemmwinkel sich in Abhängigkeit von

w der radialen Klemmkörperhöhe ändert. Ein solcher Klemmkörper ist in Fi g. 2 dargestellt Der Klemmkörper 1 ruht mit seinen Klemmfächen a, b, c. d zwischen der inneren Klemmbahn eines Freilauf-Außenringes 2 und der äußeren Klemmbahn eines Freilauf-Innenringes

^r* 3. Be^; Drehung des Außenringes 2 in der angezeigten Richtung erfährt der Klemmkörper 1 eine Kippbewegung, bei der der Klemmwinkel zunimmt, entsprechend dem Verlauf der Linie 7—9 in Fig. 3. Dabei nähert sich der Klemmwinkel allmählich dem Haftreibungsbeiwert,

wi bei dessen Überschreiten es zum Durchrutschen der Kupplung kommt. Um dies zu verhindern, schließt sich an die Klommfläche a des Klemmkörpers 1 eine Klemmfiäche b mit verringertem Zylinderradi'.',s r, an. Sobald diese Klemmfläche b mit dem Außenring 2 in

^h5 Kontakt kommt, stellt sich eine flachere Charakteristik des Klemmwinkels ein, entspi echend der Linie 9—10 in F i g. 3. Punkt 4 der Klemmfläche entspricht dabei dem Punkt 9 der Klemmwinkelkurve.

Bei Drehung des Außenringes 2 entgegen der Pfeilrichtung wird der Klemmkörper 1 im Sinne abnehmender radialer Klemmkörperhöhe gekippt, bis die Klemmflächen im Freilaufzustand nur noch mehr oder weniger lose an den Klemmbahnen des Außen- und des Innenringes gleiten. Entsprechend der abnehmenden radialen Klemmkörperhöhe läuft der Klemmwinkel die in Fig.3 dargestellte Klemmwinkelkurve zurück. Gegen Ende der Kippbewegung kommt die Klemmfläche c mit einem gegenüber der benachbarten Zylinderfläche verringerten Zylinderradius rl in Kontakt mit dem Innenring 3. Aufgrund der Radiusverringerung an der inneren Klemmfläche ändert sich die Charakteristik der Klemmwinkelkurve derart, daß der Klemmwinkel trotz abnehmender radialer Klemmkörperhöhe stark zunimmt, entsprechend der Linie 7—6 in F i g. 3. Das Minimum des Klemmwinkels im Zustandspunkt 7 in Fig. 3 wird dann durchlaufen, wenn die Berührlinie der inneren Klemmfläche am Innenring 3 durch den Punkt 5 "chi.

Wie Fig.3 zeigt, müssen sich die Klemmkörper während des Einkuppelvorganges in einem gewissen Bereich der Klemmkörperhöhe befinden, damit der zur Drehmomentübertragung erforderliche Reibungsbeiwert unterhalb des tatsächlichen, infolge des ölfilmes zunächst sehr geringen Reibungsbeiwertes bleibt. Die in F i g. 3 als Einkuppelbereich gezeichnete Schwankungsbreite der Klemmkörperhöhe läßt sich in der Praxis nicht über den ganzen Umfang des Ringraumes aufrechterhalten, da bereits radiale Verlagerungen der Klemmbahnen in der Größenordnung von ca. Viomm genügen, um die von dieser Verlagerung betroffenen Klemmkörper aus dem Einkuppelbereich herauszukippen. Bei Einleitung eines Drehmomentes in die Kupplung sind diese Klemmkörper nicht mehr in der Lage, den zwischen Laufbahn und Klemmfläche befindlichen Schmierfilm zu durchdringen und in den Bereich des Trockenreibungsbeiwertes zu gelangen. Sie fallen daher für die Drehmomentübertragung aus.

F i g. 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Klemmkörper 11, dessen eine Klemmfläche a das Profil einer Kreisevolvente aufweist. Die andere Klemmfläche b ist als übliche Kreiszylinderfläche ausgebildet. Der Grundkreis, an dem die Erzeugende sich abwickelt, weist einen Radius /?oauf.

Der Mittelpunkt M_G des Grundkreises liegt etwas 5 oberhalb der Horizontalachse des Klemmkörpers 11 und ist im übrigen so angeordnet, daß der Grundkreis den Mittelpunkt Oder kreiszylindrischen Klemmfläche b umfährt. Der Mittelpunkt O ist gleichzeitig auch das Zentrum der beiden kreiszylindrischen Seitenflächen.

ι« Selbstverständlich bestehen bezüglich der Anordnung des Grundkreises zahlreiche Variationsmöglichkeiten, sowohl hinsichtlich der Placierung des Grundkreismittelpunktes Mg als auch hinsichtlich der Bemessung des Grundkreisradius R₀. Im übrigen besteht auch die ί Möglichkeit, anstelle des Grundkreises eine Ellipse oder ähnliche Kurve vorzusehen, auf der die Erzeugende abgewickelt wird. Allerdings ist die technische Reproduzierbarkeit einer Kreisevolvente wesentlich einfacher, da die erforderlichen Bewegungsabläufe von der

Die zu dem erfindungsgemäßen Klemmkörper 11 gehörige Klemmwinkelkurve ist in Fig. 5 dargestellt. Sie zeichnet sich durch einen über die gesamte Klemmkörperhöhe gleichmäßigen Verlauf und durch das Fehlen von Unstetigkeilsstellen aus. Entsprechend gleichmäßig verlaufen auch die während der Kippbewegung des Klemmstückes auftretenden Belastungsänderungen, wodurch sich die Lebensdauer der mit den erfindurv^gemäßen Klemmkörpern ausgerüsteten Kupplungen erhöht. Weiterhin zeigt Fig.5 deutlich, daß das erfindungsgemäße Evolventenprofil den Klemmkörpern einen relativ breiten Einkuppelbereich anbietet, der sicherstellt, daß alte Klemmkörper den zwischen Klemmfläche und Laufbahn befindlichen

li Schmierfilm durchdringen, selbst wenn der Ringspalt entsprechend der Patentschrift Nr. 10 79 904 eine sich periodisch und stetig ändernde radiale Breite aufweist oder durch Fertigungsungenauigkeiten radiale Versetzungen der beiden Kupplungsringe entstanden sind.

⁴⁽¹ Außerhalb des Einkuppelbereiches steigt die Klemmwinkelkurve in der gewünschten Weise an.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Klemmkörper für eine Freilaufkupplung mit zwei konzentrisch zueinander angeordneten Laufringen mit gegenüberliegenden, zylindrischen Klemmbahnen, an denen jeweils eine konvexe Klemmfläche des Klemmkörpers längs einer geraden Berührungslinie anliegt, wobei der Klemmwinkel abhängig ist von der Kippbewegung des Klemmkörper!!, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Klemmfläche (a^als Evolventen-Zylinder ausgebildet ist.

2. Klemmkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventen-Zylinder ein Kreisevolventenprofil aufweist

3. Klemmkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Evolventen-Zylinder aus Evolventen verschiedener Grundkreise zusammengesetzt ist.

4. KJemmkiSrper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Evolventen verschiedener Grundkreise durch einen diese jeweils tangierenden Kreiszylinder verbunden sind.

5. Klemmkörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem inneren Laufring (3) in Berührung stehende innere Klemmfläche (a) des Klemmkörpers (11) als Evolventen-Zylinder, die mit dem äußeren Laufring (2) in Berührung stehende äußere Klemmfläche (b) in an sich bekannter Weise als Kreiszylinder ausgebildet ist, dessen Achse durch den Schwerpunkt des Klemmkörp'i's (11) hindurchgeht