DE2204305B2 - Klemmkörper für Freilaufkupplungen - Google Patents
Klemmkörper für FreilaufkupplungenInfo
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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.
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.
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*
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 MG 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.
Claims (5)
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
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ID=5834460
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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