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Triebwerk mit Freilaufkupplung Die Erfindung betrifft eine Freilaufkupplung,
die nahezu ohne Schlupf angrejift und .sich deshalb besonders für die Umwandlung
auch kleinster Winkelbewegungen in eine gerichtete Drehbewegung eignet.
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In .der Praxis bediente man sich zu diesem Zweck insbesondere der
bekannten Kugel- und Rollenfreiläufe und der S:perrklinkengetriebe. Bei den Antrieben
der erstgenannten. Art werden Rollen oder Kugeln als Kupplungselemente verwendet,
die bei Relativbewegungen des antreibenden Teil-es in der Antriebsrichtung verklemmt
werden. Bis zur Übertragung des vollen Drehmomentes !müssen aber erhebliche Winkelwege
zurückgelegt -werden, so .daß diese Kupplungen für Triebwerke nicht sonderlich geeignet
sind. Andererseits ergeben sich infolge der Punkt- oder Linilenberühru:ng an den
Stellen der Kraftübertragung .durch die Kupplungsglieder relativ .hohe örtliche
Druckbeanspruchungen. Findet der Wechsel der Kupplungs- und Lösevorgänge dazu noch
innerhalb kurzer Zeitperioden statt, so, ist die Lebensdauer derartiger Triebwerke
.infolge des hohen Materialverschleißes begrenzt. Schon eine geringe Abnutzung der
Arbeitsflächen oder die Bildung von Druckstellen verändert die Winkelverhältnisse
am Keil derart, daß die Kupplungsglieder nicht mehr klemmen.
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Die Sperrklinkengetriebe ,haben ebenso wie die Kugel- oder Rollenfreilaufkupplungen
den Nachteil, daß sie einen verhältnismäßig großen toten Gang besitzen und infolgedessen
für die Umwandlung .kleiner Winkelbewegungen nicht .in Betracht kommen. Die Verwendung
derartiger Kupplungen für Triebwerke ist nur dann 1möglich, wenn die Antriebswinkelbewegung
verhältnismäßig groß und auf die Zahnteilung abgestimmt ist.
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Zur Umwandlung von Schwingbewegungen kleiner und kleinster Amplitude
bei hohen Antriel)sfrequen7en in Drehbewegungen hat man daher
plättchenförmige
Lamellen als Kupplungselemente verwendet, die als Gesperreglieder zwischen dem ;schwingenden
[email protected] und dem umlaufenden Teil vorgesehen und verschiedenartig geformt
sind. Beispielsweise besitzen sie einen 7-förmigen Querschnitt und sind lose zwischen
einen anzutreibenden Außenring und eine Antriebswelle gelegt. Dabei liegen die kurzen
Schenkel am Außenring an, während die langen Schenkel fast unter :einem Winkel von
9o° auf :der Arbeitsfläche des Innenringes bzw. der Antriebswelle aufliegen. Nachteilig
wirkt sich bei :dieser Anordnung aus, daß sich schon .bei geringer Abnutzung die
Winkelverhältnisse ändern. Da der Spielraum, in welchem die Kupplung einwandfrei
arbeitet, nur gering ist, werden :diese Kupplungen bereits nach verhältnismäßig
geringer Betriebsdauer unbrauchbar.
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Die Verwendung von plättchenförmigen Lamellen gegenüberden Rollen
hat den Vorteil, daß bei ihnen durch die Anpassung an die Krümmung der Arbeitsfläche
nahezu. eine Flächenberührung stattfindet. Außerdem läßt sich infolge .ihrer geringen
Stärke eine große Anzahl auf einem gegebenen Umfang unterbringen. Die beschriebenen
Nachteile werden gemäß oder Erfindung dadurch vermieden, daß die Arbeitsfläche ,des
Antriebs-oder Abtriehselementes oder beider, zwischen denen die Kupplungselemente
lose gehalten oder fest :eingespannt sind, als Kegel ausgebildet ist, gegen den
sich die Kupplungselemente .unter dem Einfluß einer axial gerichteten Kraft abstützen.
Dabei können die Kupplungselemente als Blattfedern ;ausgebildet und in :der Nabe
oder dem Außenring fest eingespannt sowie an .der Einspannstelle mit einer Q :erschnittsverengung
versehen sein. Sie können auch aus Plättehen bestehen, die in entsprechend geformten
Schlitzgen im Antriebs-oder Abtriebselement lose gelagert sind. Ver.sc@hiedene Ausführungsformen
für die Befestigung und Lazerunz :der Plättchen in der Nabe oder im Außenring 'des
Triebwerkes sowie die Verwendung von Käfigen für die Aufnahme und Halterung der
Plättchen, die auch mit entsprechenden Einschnitten und Vorsprüngen versehen sein
können, .Sind beispielsweise angegebene Lösungen zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens.
Der Zusammenhalt dieser Kupplungsteile kann entweder durch das Eigengewicht des
Antriebs- oder Abtriebselementes oder durch eine Feder erfolgen. .
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Schließlich kann das Triebwerk mit einem stufenlosen Getriebe oder
einem anderen Triebwerk.sglied zu einer Einheit zusammengebaut sein.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele .der Erfindung sind in :der Zeichnung-wiedergegeben.
Es stellen :dar Fig. r einen Querschnitt :durch ein Triebwerk mit eingespannten
Lamellen, Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung nach Fig. r, Fig.3 einen
Längsschnitt durch ein Triebwerk mit zwei Einzelkupplungen, Fig. q. einen Querschnitt
durch das Triebwerk gemäß Fig. 3, Fig.5 einen Querschnitt durch ein Triebwerk mit
,lose eingesetzten Kupplungslamellen, Fig. 6 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung
nach Fig. 5, Fig.7 einen Querschnitt durch ein Triebwerk:, dessen Kupplungslamellen
durch einen Käfig gehalten werden, Fig. 8 einen Längsschnstt durch die Vorrichtung
nach Fig.7. Fig. g ein stufenlos veränderliches Getriebe; Fig. io ein weiteres Getriebe
etwas anderer Bauart und schließlich, Fd:g. r i ein Triebwerk mit selbsttätig entsprechend
-dem Belastungsmoment sich einstellender Abtrieb.s.drehzahl.
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,Gemäß Fig. i und 2 wird -dem Außenring i, der eine konische Lauffläche
2 besitzt, eine hin und her gehende Winkelbewegung :erteilt. Die als Kupplungselemente
dienenden Blattfedern 3 sind in Schlitzen der Naible q. derart befestigt, daß sie
mit den Normalen an den Berührungsstellen des Außenringes einen Winkel a bilden,
der geringer sein muß al.s der Reibungswinkel ,u zwischen den beiden Werkstoffen.
Der Außenring i lastet mit seinem Eigengewicht auf den Federn 3, die in seinem Konus
eingepaßt sind. Bei Bewegungen des Außenringes im entgegengesetzten Uhrzeigersinn
werden die Kupplungsfedern festgeklemmt und nehmen die Nabe q. mit. Um die erforderliche
Verhiegung :der Federn beim Festklemmen zu erleichtern, .sie also in der Nähe ihrer
Einspannung möglichst gelenkig zu machen, ohne ihre Knickfestigkeit zu verringern,
;sind sie mit Querschnittsvere:ngungen 5 versehen. Entsprechend dem von :der Kupplung
übertragenen Drehmoment werden die Kupplungsfedern elastisch etwas zusammengedrückt.
Beim Nachlassen ,des Momentes -kommt die elastische Verformung dem Antrieb wieder
zugute, so daß die Verluste an mechanischer Arbeit gering sind.
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Es tritt lediglich ein verhältnismäßig geringer Reibungsverlust während
der Rücklaufbewegung auf. Die Berührung zwischen den Kupplungsfedern und dem Außenring
ist eine angenäherte Flächenberührung und die örtliche Materialbeanspruchung dementsprechend
gering.
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Die schwingende Antri@ebsbewegung kann auch von der Nabe ausgehen
und der Außenring sich gleichmäßig drehen, wobei infolge der Träghecitswirkung die
Verbiegung .der Kupplungsfedern in der .gewünschten Richtung unterstützt wird. Die
Zahl ,der Kupplungsfedern kann so weit erhöht werden, wie es die Anordnung iin der
Nabe erlaubt, Bei Lauf :der Kupplung beispielsweise .in waagerechter Achslage :kann
die Andrückung :des Außenringes durch Federkraft erfolgen.
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Die im praktischen Betrieb eintretende Abnutzung der Kupplungsfedern
wird stets selbsttätig durch Nachstellung .des .konischen Außenringes ausgeghohen.
Zweckmäßig werden die Federn so eingepaßt, .daß sie am größten Durchtnesser
des
Konus beginnen, so daß eine möglichst große Nachstellbarkeit bei Abnutzung gewährleistet
ist. Während der gesamten Betriebsdauer bleibt die Wirksamkeit der Kupplung also
unverändert erhalten..
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Fi:g. 3 und .l. zeigen eine Ausführung, bei der die Kupplungsfedern
12 in dien Außenring i i fest eingesetzt, beispielsweise im Spritzgußverlahren eingegossen
sind und die Nabe 13 konische Arbeitsflächen besitzt. Diee Nabe 13 ist finit der
Abtriebswelle 14 fest verbunden. Die Außenringe i i :sind auf der Welle 14. mittels
Lager 15 :geführt. Die auf die Antriebslieb-el 16 wirkenden Kräfte, welche die Schwingungsbewegung
und das Drehmoment hervorrufen, werden von diesen Lagern aufgenommen, so daß die
Kupplungsfedern von Zusatzkräften entlastet werden. Bei dieser Anordnung sind zwei
Kupplungen kombiniert, wobei die ,beiden Außenringe mittels einer doppelgängigen
Schraubenfeder 17 zusammengezogen werden. Hierdurch wird der für die Kupplung erforde.rlich@e
Axial:schub aufgebracht. Diese Kupplung ermöglicht eine gleichsinnige sowie auch
eine entgegengesetzte Winkelbewegung der beiden Antriebshebel. Bei letzterer ist
die Übertragung des Drehmomentes gleichmäßiger und ein Zurückdrehen unmöglich, was
vor allem ,bei Antrieben mit geringer Drehzahl und Frequenz von Bedeutung ist.
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Bei der Ausführung nach Fig. 5 und 6 werden statt der festeingesetzten
Federn lose Kupplungslamellen verwendet. Der Außenring 21 besitzt wie in Fig. i
und 2 eine konische Lauffläche. Die Kupplungslamellen 22 sind in Schlitzen der Nabe
23 geführt. In der Mitte bildet die Nabe 23 eine Scheibe 24.. In dieser Scheibe
sind :die Schlitze nach außen erweitert fortgesetzt. Die Schlitze gestatten den
Kupplungslamellen eine gewisse Winkelbeweglichkeit. In der gezeichneten Lage werden
die Lamellen bei Rücklauf des Außenringes im Uhrzeigersinn festgehalten. Während
der Antriebsbewegung des Außenringes im entgegengesetzten Sinn werden die Lamellen
um einen geringen Winkel von dieser Auflage abgehoben, bis .die erforderliche .Druckkraft
übertragen wird. Für die Winkelverhältnisse gilt dasselbe wie bereits zu Fig. i
und :2 ausgeführt. Die Nabe 23 ist nur .in Form einer :schmalen Scheibe 2.1.
auf einen größeren Durchmesser erweitert, -da das an .der Lamelle haftende Ö,1 bei
einer größeren Auflagefläche .die Beweglichkeit der Lamellen behindern würde. Die
Lamellen :sind auf der N abe durch Scheiben 25, 26 ;gegen axiale Verschiebung gesichert,
wobei die untere Scheibe 25 den .auf die Lamellen übertragenen Axialschub durch
das Eigengewicht des Außenringes aufnimmt. Diese Ausführung besitzt den Vorzug,
daß infolge der leichten Beweglichkeit der Lamellen. die Kupplung bereits bei einem
:sehr geringen Axialdruck wirksam ist und die Reibungsverluste beim Rücklauf entsprechend
gering sind.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in Fig. 7 und ä dargestellt.
Der Außenring 31 besitzt wiederum eine konische Arbeitsfläche. Die Kupplungslamellen
32 werden durcheinen Käfig 33 gehalten. Sie stützen sich innen auf der Abtriebswelle
34. ab. Der Käfig 33 ist mit Welle 34 fest verbunden. Er gestattet den Kupplungslamellen
die notwendige Winkelbeweglichkeit und legt ihren Angriffspunkt auf der Nabe fest.
Die Kupplungslamellen sind in drei Gruppen zusammengefaßt. Während die Lamellen
an der Nabe bereits :dicht nebeneinanderliegen, sind in der Nähe des äußeren Umfanges
Vorsprünge 35 vorgesehen, welche den erforderlichen Abstand von Lamelle zu Lamelle
,halten.
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Die Zusammenfassung zu Gruppen :gestattet die Unterbringung "einer
großen Zahl von Kupplungslamellen, so daß hiermit ein hohes Drehmoment übertragen
werden kann. Alle Lamellen einer Gruppe werden in den Arbeitsgang zwangsläufidadurcheinbezogen,
daß sie sich :gegenseitig bei ihrer Winkelbewegung mitnehmen, diese also gleichmäßig
von allen Lamellen jeder Gruppe ausgeführt wird. Im übrigen :ist @bei Unterteilung
in drei Gruppen gesichert, daß jede dieser Gruppen gleichmäßig durch das Drehmoment
beansprucht wird, auch wenn für den Außenring kein besonderes Führungslager vorgesehen
ist. Die Unterteilung -der Lamellen kann in eine beliebige Anzahl von Gruppen vorgenommen.
werden.
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Die Lamellen besitzen Schlitze 36, die von der schrägen, außenliegenden
Arbeitsfläche bis dicht an die Innenseiten reichen. Die Schlitze gestatten den nur
noch durch einen geringen Materialquerschnitt zusammengehaltenen Lamellenteilen
eine gewisse Winkelbeweglichkeit gegeneinander. Diese isst erwünscht, weil die Lamelle
:an ihrer breiteren Seite eine geringere Winkelbewegung .durchzuführen hat als an
der schmaleren und :sich dementsprechend verwinden. oder auf der Arbeitsfläche rutschen
müßte. Letzteres hätte Beinen Verlust an mechanischer Arbeit zur Folge. D tie Lamellen
:können auch durch mehrere Schlitze unterteilt werden, so daß sie sich noch besser
der erforderlichen Winkelbewegung anpassen können.
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Weitere Aus iführungen von Freilaufkuppl.ungen gemäß der Erfindung
sind möglich unter Verwendung verschiedenster ;an sich bekannter Lamellenausbildungen,
wobei lediglich zu beachten ist, idaß mindestens eine der Arbeitsflächen eine konische
Form besitzt und die Kupplungslamellen durch eines der Kupplungsteile oder .aber
durch einen Käfig oder Ring mit leichtem Axialschub gegen den Konus gedrückt werden.
Der Axialschub kann auch mittels einer Schraube oder Mutterbewirkt werden, was insbesondere
bei starken Erschütterungen ausgesetzten Antrieben von Vorteil sein kann. Hierbei
ist eine Nachstellung entsprechend der jeweiligen Abnutzung erforderlich.
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Die beschriebene Freilaufkupplung eignet sich, wie bereits eingangs
erwähnt, besonders für die Verwendung .als Triebwerksorgan, .also zur Umwandlang
hin und eher :gehender Bewegung in, eine gerichtete Drehbewegung. Insbesondere können
damit Getriebe mit stufenlos veränderlicher Übersetzung sowie belastungsabhängige
Getniebe hergestellt werden, bei denen sich die Abtriebsdrehzahl selbsttätig in
Abhängigkeit von .der Belastung derart
ändert, daß sie um ,so kleiner
wird, je höher das Belastungsmoment ist. Ausführungsbeispiele hierzu sind in Fig.
9 bis i i gezeigt.
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Fig. 9 zeigt ein stufenlos veränderliches Getriebe. Die hin und her
:gehende :Bewegung greift an dem seitlich geführten Gelenk 41 @an. Mittels der beiden
Schubstangen 42 wird den Antriebshebeln 43 . eine entgegengesetzte, schwingende.
Winkelbewegung erteilt. Diese Hebel greifen an einer doppelten Freilaufkupplung
¢4 beispielsweise in der Ausführung gemäß Eig. 3 @an und werden beim Hinundhergang
wechselweise mit der Abtriebswelle gekuppelt. Wird der Antriebspunkt 41 verschoben;
so,daß :das Hebelsystem .in ,die gestrichelt gezeichnete Lage kommt, :so wird die
Abtriebs-drehzahl kleiner und ist in der punktierten Lage nahezu Null, da dann eine
nennenswerte Bewegung der Hebel 43 nicht mehr stattfindet. Die Verschiebung des
Punktes 41 .kann beispielsweise durch Lageveränderung der antreibenden Kraftmaschine
erfolgen.
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In Fig. io ist ein weiteres stufenlos veränderliches Getriebedargestellt.
Der um :das feste Lager 5 1 drehbare Hebel 52 wird von der Kraftmaschine in hin
und her gehende Bewegung versetzt. An diesem Hebel ist :die Schubstange 53 derart
:gelagert, .daß dieses Langer während :des Betriebes, beispielsweise mittels einer
Spindel, verschoben werden kann. Der Antriebshebel 54 greift an der Freilaufkupplung
55 an. Diese Anordnung kann ebenso wie die nach Fig._ 9 auch döppelt wirkend anisgeführt
werden.
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Die Anordnungen nach Fig. 9 und io haben gegenüber den meisten anderen
stufenlosen Getrieben den Vorzug, daß sie eine Drehzahländerung von Null bis zur
größten Drehzahl gestatten.
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Schließlich List in Fig, ii eine Anordnung gezeigt, bei der die Abtriebsdrehzahl
sich selbsttätig entsprechend :dem Belastungsmoment einstellt. Die Schubstange 61
erteilt dem Antriebshebel 62 eine hin und her gehende Bewegung und bewirkt über
die Freilaufkupplung 63 eine gleichmäßige Drehbeweggung,der Abtriebswelle. Der Antriebsheb,e,l
62 ist als Blattfeder ausgebildet und biegt sich je nach Belastung mehr oder weniger
:durch. Bei sehr geringem Abtriebsbelastun,gsmoment ist .die Durchbiegungentsprechend
gering und der der Freilaufkupplung aufgezwungene Winkelweg bei jeder Hinundherhewegung
entsprechend groß. Bei höher werdendem Belastungsmoment wird der Winkelweg infolge
der Durchbiegung des Federhebels immer geringer, bis überhaupt keine Drehung der
Abtriebswelle mehr stattfindet. Die Kraftmaschine muß daher ein genügendes Schwungmoment
haben, um .die in die Feder gesteckte potentielle Energie abgeben und aufnehmen
zu können.
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Diese vollkommen selbsttätig wirkende Anordnung kann als Überlastungsschutz
und überall :dort verwendet werden, wo eine Kraftmaschine mit etwa konstanter Drehzahl
und begrenzter Leistung eine Arbeitsmaschine mit stark veränderlichem Drehmoment
antreiben soll, wie Zugmaschinen, Rührwerke usw., bei denen sich ,die Drehzahl etwa
derart einstellen soll, daß stets die volle Leistung der antreibenden Kraftmaschine
ausgenutzt wird.
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Das Freilauftriebwenk :gemäß der vorliegenden Erfindung ist vielseitig
verwendbar. Es kann von rotierenden Kraftmaschinen in der beschriebenen und in anderer
bekannter Weise angetrieben werden, um dadurch eine stufenlos einstellbare oder
selbsttätige- Übersetzungsänderung zu erreichen. Der Antrieb kann aber beispielsweise
auch :durch einen :elektrischen Hubmagneten, der mit der einfachen oder doppelten
Frequenz :des Wechselstromes arbe@bet, vorgenommen werden, wodurch ein Elektromotor
mit beliebig niedriger Abtriebsdrehzahl entsteht. In entsprechender Weise können
auch Kolbenkraftmaschinen mit frei schwingender Kolben@hewegung unter Vermeidung
:des Kurbeltriebwerkes für dien Antrieb verwendet werden. Durch die verschiedenen
Möglichkeiten der Änderung :des Hebelarmes, von Elastizitätsverhältnissen usw. läßt
sich auch hierbei eine beliebige Regelung der Abtriebsdrehzahl ohne Änderung der
Frequenz -und Amplitude des Antriebes erzielen.