DE4311288C1 - Drehrichtungsabhängiger Freilauf mit Schlingfeder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen drehrichtungsabhängigen Freilauf nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei allradangetriebenen Kraftfahrzeugen mit einer über eine schlupfgesteuerte Kupplung angetriebenen zweiten Treibachse (meist die Hinterachse) besteht das Problem, daß die Hinterräder durch die Verbindung mit den Vor­ derrädern zum Überbremsen neigen und so die Bodenhaftung verlieren, was zum Ausbrechen des Fahrzeuges führt.

Besonders kritisch sind die Verhältnisse bei Blockier­ bremsungen bzw. bei Verwendung eines ABS. Daher ist die zusätzliche Verwendung eines Freilaufes üblich, um keine gesteuerten Trennkupplung verwenden zu müssen. Ein Frei­ lauf hat aber den Nachteil, daß er für allradgetriebene Rückwärtsfahrt überbrückt werden muß. Alternativ dazu verwendet man einen Doppelfreilauf, der die Übertragung von Antriebskräften vorwärts und rückwärts ermöglicht.

Ein Doppelfreilauf hat jedoch den Nachteil, sowohl bei Vorwärtsfahrt als auch bei Rückwärtsfahrt im Schlepp­ betrieb (Motorbremsung) zu entkuppeln, was im Gelände und auf vereisten Bergstraßen zu gefährlichen Situationen führen kann. Deshalb wurden bereits doppeltwirkende Klemmkörperkupplungen vorgeschlagen, bei denen differenz­ drehzahlfühlende Organe für ein Kuppeln in beiden Momen­ tenflußrichtungen sorgen und Fliehkraftorgane eine Momen­ tenumkehr bei höherer Geschwindigkeit verhindern (z. B. noch unveröffentlichte DE Patentanmeldungen 42 01 375, 42 02 152 und 42 25 202 derselben Anmelderin).

Diese Lösungen haben jedoch bei reifenverschleißbedingten oder konstruktiv vorgesehenen Übersetzungsfehlern den Nachteil, bei niedriger Geschwindigkeit und geringer Last zu Verspannungszuständen zu führen, die nicht nur Lei­ stungsverluste verursachen, sondern auch dazu führen können, daß die Klemmkörper in der Kuppelstellung festge­ halten werden. Deshalb wurde nach weiteren Lösungen dieses Problemes gesucht.

Ein gattungsgemäßer Freilauf ist aus der DE-A 27 40 638 bekannt. Dieser Freilauf umfaßt in beide Richtungen wir­ kende Klemmrollen für die Übertragung von Antriebskräften auf die zweite Triebachse eines Fahrzeuges (hier die vordere). Es besteht eine Reibverbindung zwischen dem der zweiten Triebachse zugehörigen Ring und einem Klemmrol­ lenkäfig. Beim Überholen dieses Gliedes verhindert ein über eine weitere Reibverbindung zum feststehenden Gehäu­ se gesteuerter Klinkenmechanismus, daß sich der Klemm­ rollenkäfig in die Position bewegt, in der Schlepp- bzw. Bremsmomente von der zweiten Triebachse zum Triebwerk des Fahrzeuges bzw. zur ersten Treibachse übertragen werden. Die zweite Triebachse läuft also im Schleppbetrieb immer frei, was die Fahrsicherheit in der oben erwähnten Weise beeinträchtigt. Dabei hat das absolutdrehzahlfühlende Reibglied den Nachteil relativ hoher Verlustleistung und Verschleißanfälligkeit. Außerdem kann die Reibkraft den Klemmrollenkäfig bei extremen Winkelbeschleunigungen, z. B. bei einer Blockierbremsung, auf Grund der hohen Massenkräfte nicht sicher halten. Dadurch laufen die Klemmrollen auf die Schubrampen auf, wodurch der Freilauf auch im Schleppbetrieb überbrückt ist. Das führt aber auch zum Blockieren der Räder der zweiten angetriebenen Achse und damit zum Verlust der Bremsstabilität. Auch kann es zur Zerstörung des Freilaufes führen.

Aus der US-PS 3 406 798 ist eine Freilauf bekannt, bei dem zwischen einem Käfig und einem stationären Element eine Schleppfeder vorgesehen ist, die bei einer geringen Bewegung eines Antriebselement dafür sorgt, daß sich der Käfig nicht dreht. Die Klemmkörper sind deswegen zwischen Klemmflächen und einem Laufring verklemmt. Dieser Frei­ lauf weist darüber hinaus zwei Klinken auf, deren eine Enden durch eine Feder verbunden sind. Die anderen Enden greifen abhängig von der Laufrichtung des Antriebselemen­ tes in Rasten ein, die in dem stationären Element vor­ gesehen sind.

Aus der DE-AS 15 75 787 und der der DE-AS 11 93 316 sind Freiläufe bekannt, die Umsteuervorrichtungen mit Schling­ federn aufweisen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung der Nachteile der beiden oben angeführten Bauarten einen drehrichtungsabhängigen Freilauf zu schaf­ fen, der ohne Betätigung von außen nur bei Vorwärtsfahrt als Freilauf wirkt. Dadurch soll das eingangs aufgezeigte durch die Verwendung schlupfgesteuerter Kupplungen in Kraftfahrzeugantrieben gestellte Problem mit einem mög­ lichst einfachen und billigen Element mit minimalem Verschleiß und ohne Verlustleistung gelöst werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem gattungsgemäßen Stand der Technik durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Freilaufs wird die Forderung nach Kraftschluß in beiden Momenten­ flußrichtungen bei Rückwärtsfahrt und Auskuppeln beim Bremsen bei Vorwärtsfahrt erfüllt und ein in allen Dauer­ betriebszuständen vollkommen reibungs- und verschleiß­ freier Lauf und Sicherheit gegen Durchschlagen beim Wechsel der Momentenflußrichtung erreicht wird.

Im Rahmen der Erfindung sind viele verschiedene Ausfüh­ rungsformen möglich. So kann entweder die Achse der Klinke am Käfig angeordnet sein und die Klinke in den ersten Ring oder einen damit verbundenen Teil eingreifen oder aber die Achse der Klinke am ersten Ring oder an einem mit diesem umlaufenden Teil angeordnet sein und in den Käfig eingreifen.

Auch bezüglich der Klemmkörper gibt es verschiedene Ausführungsformen. Entweder sind diese Klemmrollen oder sie sind mit dem ersten Ring formschlüssig verbundene Körper mit in beiden Momentenflußrichtungen wirkenden Klemmflächen, also nicht zylindrisch.

Sollen die Klemmflächen nicht-zylindrischer Klemmkörper reibschlüssig mit beiden Ringen zusammenwirken, so gibt es verschiedene Varianten. In einer Variante ist ein weiterer Käfig reibschlüssig mit dem ersten Ring ver­ bunden und die Klinke wirkt zwischen dem Käfig und dem mit dem ersten Ring umlaufenden weiteren Käfig, wobei diese Reibkraft größer als die Reibkraft zwischen zweitem Ring und Käfig ist, wenn die Achse der Klinke auf dem weiteren Käfig angeordnet und die Klinke zum Eingriff in den Käfig bestimmt ist.

In einer anderen Variante sind die Anordnung der Achse der Klinke und der Ausnehmung für die Klinke vertauscht und die Relation zwischen den Reibkräften ist umgekehrt.

In Verfeinerung der Erfindung kann noch eine weitere zwischen Käfig und erstem Ring oder weiterem Käfig wir­ kende Feder vorgesehen sein. Diese sorgt beim Übergang von Rückwärtsfahrt zu Vorwärtsfahrt dafür, daß der Käfig eine die Freilauffunktion bei Vorwärtsfahrt gewährlei­ stende Stellung einnimmt.

Schließlich ist die Wirkung der Erfindung auch von der Ausbildung der beiden Ringe unabhängig. Etwas einfachere Ausführungsformen sind fallweise dadurch zu erzielen, daß der erste Ring der Innenring ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert.

Fig. 1 schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit Allradantrieb, bei dem die erfindungsgemäße Kupp­ lung verwendet wird,

Fig. 2 erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupp­ lung, teils in Stirnansicht, teils im Schnitt II in Fig. 3,

Fig. 3 Schnitt III-III zu Fig. 2, untere Hälfte Seitenansicht,

Fig. 4 Detailschnitt A in Fig. 3,

Fig. 5 bis 8 schematische Darstellung der Kupplung nach Fig. 2,3 in verschiedenen Arbeitsstellungen,

Fig. 9 zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung, teils in Stirnansicht, teils im Schnitt IX in Fig. 10,

Fig. 10 Schnitt X-X zu Fig. 9, untere Hälfte Seitenansicht,

Fig. 11 dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung, teils in Stirnansicht, teils im Schnitt XI in Fig. 12,

Fig. 12 Schnitt XII-XII zu Fig. 11, untere Hälfte Seitenansicht,

Fig. 13 vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung, teils in Stirnansicht, teils im Schnitt XIII in Fig. 14,

Fig. 14 Schnitt XIV-XIV zu Fig. 13, untere Hälfte Seitenansicht,

Fig. 15 fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung, teils in Stirnansicht, teils im Schnitt XIV in Fig. 16,

Fig. 16 Schnitt XVI-XVI zu Fig. 13, untere Hälfte Seitenansicht.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte allradangetriebene Kraftfahrzeug weist einen Motorgetriebeblock m auf, von dem über ein Verzweigungsgetriebe g einerseits die Vorderräder v und andererseits über eine schlupfgeregelte Kupplung k und einen erfindungsgemäßen drehrichtungsabhängigen Freilauf d die Hinterräder h angetrieben werden. Die schlupfgeregelte Kupp­ lung k könnte eine Lamellenkupplung, eine hydrostatische Kupp­ lung, eine hydrodynamische Kupplung, eine gesteuerte oder ungesteuerte Flüssigkeitsreibungskupplung oder eine elektro­ magnetische oder elektroviskose Kupplung sein. Der erfin­ dungsgemäße Freilauf d könnte auch zwischen dem Verzweigungs­ getriebe v und der schlupfgeregelten Kupplung k angeordnet sein, was strichliert mit d′ angedeutet ist.

In der ersten Ausführungsform der Erfindung gemäß Fig. 2, 3 und 4 trägt eine erste Welle 1, hier die Antriebswelle, einen ange­ nähert polyedrisch geformten ersten Ring 2 und ein zweiter Ring 3 mit zylindrischer Lauffläche geht in die Abtriebswelle 3 über. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Ring 2 der Innenring und der zweite Ring 4 der Außenring. Es kann aber auch umgekehrt sein. Zwischen den beiden Ringen 2, 4 ist eine Anzahl von Klemmrollen 7 und ein Käfig 5 mit Fenstern 6 für die Klemmrollen 7 angeordnet. Ein Reibglied 8 stellt zwischen zweitem Ring 4 und Käfig 5 eine reibschlüssige Verbindung her.

Eine Klinke 12 ist um eine Klinkenachse 11 schwenkbar am ersten Ring 2 gelagert. Die Klinke 12 besteht aus einem ersten Arm 13, der mit einem Haken 14 in eine Ausnehmung 15 des Käfigs 5 ein­ greift, und aus einem zweiten Arm 17, an dem eine Schleppfeder 18 angreift. Die Ausnehmung 15 ist so angeordnet, daß sie dem Haken 14 einen Anschlag 16 bietet, wenn der Käfig sich in Neu­ tralstellung befindet, der Freilauf also frei läuft. Die Schleppfeder 18 besteht aus einer Schlaufe 19, die einen fest­ stehenden Ring 10 lassoartig umschlingt (sie kann ihn aber auch mehrfach umschlingen) und aus einem Federarm 20, der in den zweiten Arm 17 der Klinke 12 eingreift. Der feststehende Ring kann Teil eines nicht dargestellten Gehäuses sein.

Auf den zweiten Arm 17 der Klinke 12 wirkt weiters eine Halte­ feder 21, hier eine Haarnadelfeder, die den ersten Arm 13 der Klinke 12 in die Ausnehmung 15 drückt. Weiters ist noch eine Zugfeder 22 vorgesehen, deren Zugkraft Innenring 2 und Käfig 5 in die der positiven Momentenflußrichtung entsprechende Kuppel­ stellung zu bewegen trachtet.

Die Arbeitsweise dieses Freilaufes ist folgende (Fig. 5 bis 8):
Bei Vorwärtsfahrt im Zugbetrieb (der Motor treibt das Fahrzeug, Fig. 5) treibt der erste Ring 2 (hier der Innenring) über die Klemmkörper 7 den zweiten Ring 4 (hier der Außenring). Die Klinke 12 wird über ihre am Innenring angeordnete Achse 11 mit­ genommen und ihr Haken 14 wird von der Haltefeder 21 in die Ausnehmung 15 des Käfigs 5 gedrückt. Der zweite Arm 17 der Klinke 12 nimmt den Federarm 20 der Schleppfeder 18 mit und dreht die Schlaufe 19 auf dem feststehenden Ring 10. Durch die Windungsrichtung der Schleppfeder 18 ist die Reibung dabei nur gering und der Federarm 20 übt eine geringe, die Haltefeder 21 unterstützende Kraft auf die Klinke 12 aus. Bei höherer Drehzahl weitet sich die Schlaufe 19 unter der Wirkung der Fliehkraft sogar auf, so daß sie auf dem feststehenden Ring 10 überhaupt nicht mehr reibt. Der Freilauf arbeitet daher voll­ kommen reibungsfrei.

Wird nun bei Vorwärtsfahrt die Antriebswelle 1 gebremst (Schub­ betrieb, Fig. 6), so überholt der zweite Ring 4 den ersten Ring 2 und wird treibender Ring (umgekehrte Drehmomentenflußrich­ tung). Dabei nimmt er über das Reibungsglied 8 den Käfig 5 mit, bis der Anschlag 16 sich an den Haken 14 legt. Nun ist der Käfig 5 in Neutralstellung festgehalten und die Klemmkörper übertragen kein Drehmoment.

Beim Übergang auf Rückwärtsfahrt im Zugbetrieb (Fig. 7) wird die Klinke 12 und mit ihr der Federarm 20 vom ersten Ring 2 im ent­ gegengesetzten Drehsinn mitgenommen. Dabei zieht sich die Schlaufe 19 der Schleppfeder 18 um den feststehenden Ring 10 zusammen und wird festgehalten. Dadurch aber übt der Federarm 20 eine Kraft auf die Klinke aus, die diese gegen die Kraft der Haltefeder 21 aus der Ausnehmung 15 heraushebt. Der Käfig 5 wird nun nicht mehr festgehalten und kann vom Reibglied 8 bis in die Stellung mitgenommen werden, in der die Klemmkörper für die entgegengesetzte Momentenflußrichtung kuppeln.

Wird die Rückwärtsfahrt verzögert, so tritt wieder Schleppbe­ trieb ein (Fig. 8). Da die Klinke 12 in diesem Drehsinn durch die Schleppfeder 18 ausgerückt ist, kann der Käfig 5 unge­ hindert unter der Wirkung des Reibungsgliedes 8 in die den anderen Momentenflußrichtung entsprechende Stellung gelangen.

In einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Frei­ laufes nach Fig. 9, 10 sind die Klemmkörper 30 beiderseits mit in beiden Momentenflußrichtungen wirkenden Klemmflächen 31 verse­ hen. Sie sind mit dem ersten Ring 2 in formschlüssigem und mit dem zweiten Ring 4 in reibschlüssigem Kontakt. Ersterer Kontakt wird hier durch Evolventenzähne 32 hergestellt, die in entspre­ chende Lücken des ersten Ringes 2 eingreifen. Ansonsten ist al­ les wie in der Ausführungsform mit Klemmrollen (Fig. 2, 3 und 4). In einer nur leicht abgewandelten dritten Ausführungsform gemäß Fig. 11, 12 können die Klemmkörper 40 auch nur eine doppeltwirkende Klemmfläche 41 aufweisen und der Formschluß am anderen Ring durch Schwenkbolzen 42 hergestellt sein.

In einer vierten Ausführungsform (Fig. 13, 14) sind die Klemm­ körper 50 beiderseits mit doppeltwirkenden Klemmflächen versehen und mit beiden Ringen 2, 4 nur in reibschlüssigem Kontakt. Deshalb ist ein weiterer Käfig 51 vorgesehen, der über ein weiteres Reibglied 52 vom ersten Ring 2 mitgenommen wird. Wichtig ist, daß der Reibschluß des weiteren Reibgliedes 52 stärker als der des Reibgliedes 8 ist. Allgemein kann man sagen, daß das die Achse der Klinke tragende Reibglied das andere Reibglied dominieren muß.

In einer fünften nur geringfügig variierten Ausführungsform sind zwei Sätze von jeweils in entgegengesetzten Momentenfluß­ richtungen wirkenden Klemmkörpern vorgesehen. Die Anordnung des weiteren Käfigs 62 und des weiteren Reibgliedes unterscheidet sich nicht von der des vorhergehenden Beispieles.

Im Rahmen der Erfindung sind noch viele andere Ausführungsfor­ men denkbar. So kann auch der erste Ring als Außenring und der zweite als Innenring ausgebildet sein. Weiters kann die Klinke auch an einem Käfig gelagert sein und auf einen der Ringe wir­ ken. Bei allen diesen Abwandlungen sind die Formen von Klinke und Federn entsprechend zu variieren. In allen Varianten erhält man die drehrichtungsabhängige Freilaufwirkung.

Claims (10)

1. Drehrichtungsabhängiger Freilauf, bestehend aus:

• - einem ersten Ring (2), der im Zugbetrieb der treibende Teil ist,
• - einem zweiten Ring (4), der im Zugbetrieb der getriebene Teil ist,
• - Klemmkörpern (7), die zwischen erstem (2) und zweitem (4) Ring in beiden Momentenflußrichtungen wirksam sind,
• - mindestens einem Käfig (5) und
• - einem Reibglied (8), das zwischen Käfig (5) und zweitem Ring (4) wirkt,

dadurch gekennzeichnet, daß er weiters besteht aus:

• a) einer Klinke (12), die zwischen erstem Ring (2) und Käfig (5) wirkt, wobei sie um eine Achse (11) schwenkbar und zum Eingriff in eine Ausnehmung (15) bestimmt ist, die einen Anschlag (16) für die Klinke (12) bildet, dessen Lage der Neutralstellung der Klemmkörper (7, 30, 40, 50, 60, 61) ent­ spricht,
• b) eine Haltefeder (21), die die Klinke (12) in die Ausnehmung (15) des Käfiges (5) drückt,
• c) eine Schleppfeder (18), die aus einer einen feststehenden Ring (10) umschlingenden Schlaufe (19) und einem mit der Klinke (12) in Wirkverbindung stehenden abstehenden Federarm (20) besteht, wobei die Schlaufe (19) der Schleppfeder (18) den feststehenden Ring (10) in dem Drehsinn umschlingt, daß ihr Reibschluß bei Rückwärtsfahrt die Klinke (12) gegen die Kraft der Haltefeder (21) ausrückt.

2. Drehrichtungsabhängiger Freilauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) der Klinke (12) am Käfig (5) angeordnet ist und die Klinke in den ersten Ring (2) oder einen damit verbundenen Teil (62) eingreift.

3. Drehrichtungsabhängiger Freilauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (11) der Klinke (12) am ersten Ring (2) oder an einem mit diesem umlaufenden Teil (62) angeordnet ist und in den Käfig (5) eingreift.

4. Drehrichtungsabhängiger Freilauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkörper (7) Klemmrollen sind.

5. Drehrichtungsabhängiger Freilauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klemmkörper (30, 40) mit dem ersten Ring (2) formschlüssig verbundene Körper mit in beiden Mo­ mentenflußrichtungen wirkenden Klemmflächen (31, 41) sind.

6. Drehrichtungsabhängiger Freilauf nach Anspruch 1 mit Klemm­ körpern (50, 60, 61), deren Klemmflächen reibschlüssig mit beiden Ringen (2, 4) zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Käfig (51) reibschlüssig mit dem ersten Ring (2) verbunden ist, und daß die Klinke (12) zwischen dem Käfig (5) und dem mit dem ersten Ring (2) umlaufenden weiteren Käfig (51) wirkt, wobei diese Reibkraft größer als die Reibkraft zwischen zweitem Ring (4) und Käfig (5) ist, wenn die Achse (11) der Klinke (12) auf dem weiteren Käfig (51) angeordnet und die Klinke (12) zum Eingriff in den Kä­ fig (5) bestimmt ist.

7. Drehrichtungsabhängiger Freilauf nach Anspruch 1 mit Klemm­ körpern (50, 60, 61), deren Klemmflächen reibschlüssig mit beiden Ringen (2, 4) zusammenwirken, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Käfig (51) reibschlüssig mit dem ersten Ring (2) verbunden ist, und daß die Klinke (12) zwischen dem Käfig (5) und dem mit dem ersten Ring (2) umlaufenden weiteren Käfig (51) wirkt, wobei diese Reibkraft kleiner als die Reibkraft zwischen zweitem Ring (4) und Käfig (5) ist, wenn die Achse (11) der Klinke (12) auf dem Käfig (5) angeordnet und die Klinke (12) zum Eingriff in den weiteren Käfig (51) bestimmt ist.

8. Drehrichtungsabhängiger Freilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere zwischen Käfig (5) und erstem Ring (2) oder weiterem Käfig (51) wir­ kende Feder (22) vorgesehen ist.

9. Drehrichtungsabhängiger Freilauf nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ring (2) der Innenring und der zweite Ring (4) der Außenring ist.