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Freilauf, insbesondere für hydrodynamische Kupplungen in Kraftfahrzeugen
Die Erfindung betrifft einen Freilauf, insbesondere für hydrodynamische Kupplungen
in Kraftfahrzeugen, bestehend aus einem Außen- und einem Innenring und dazwischen
angeordneten Klemmringen, die mit mindestens einer konischen Klemmfläche reibschlüssig
mit dem einen Freilaufring in Verbindung stehen und mit dem anderen Freilaufring
über Schrägflächen derart axial bewegbar verbunden sind, daß die Klemmflächen in
der Freilaufstellung lediglich reibungsschlüssig, in der Sperrstellung dagegen bei
entsprechendem durch die Schrägflächen erzeugtem axialem Druck kraftschlüssig miteinander
verbunden sind.
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Freiläufe dieser Art sind neben Klemmrollen- bzw. Klemmsteinfreiläufen
an sich bekannt. Sie werden z. B. bei hydrodynamischen Kraftfahrzeugkupplungen als
sogenannte Gegenfreiläufe verwendet, um bei geschobenem Fahrzeug die Bremswirkung
des Motors auszunützen. Der Nachteil der bekannten Freiläufe ist ihr hoher Verschleiß
und ihre Empfmdlichkeit gegen Schwingungen. Der Freilauf wird nämlich aus der gelösten
Stellung dauernd im Rhythmus der Drehschwingungen, die vom Verbrennungsmotor herrühren,
in die Sperrstellung überführt. Diese Erscheinung führt bei den bekannten Freiläufen
zur schnellen Zerstörung der Klemmkörper.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Freilauf mit hoher
Verschleißfestigkeit zu schaffen, der zugleich auch für hohe und höchste Drehzahlen
geeignet ist und der Drehschwingungen, wie sie beispielsweise bei einer Brennkraftmaschine
auftreten, ohne nachteilige Folgen aufnehmen kann. Diese Aufgabe wird nach der Erfindung
bei einem Freilauf der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß in der Verbindung
zwischen den die konischen Klemmflächen tragenden Klemmringen und dem die Schrägflächen
aufnehmenden anderen Freilaufring ein Umfangsspiel vorgesehen und dieses Spiel größer
ist als die größte Drehschwingungsamplitude des Antriebsmotors. Der Erfindungsgedanke
läßt sich auch bei anderen bekannten Freiläufen verwirklichen, wobei dann das Spiel
zwischen einem der Freilaufringe, z. B. dem Innenring, und der diesen tragenden
Welle vorgesehen ist.
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Gegenüber den meisten bekannten Freiläufen ist der erfindungsgemäße
Freilauf vollkommen unempfindlich gegenüber Fliehkraftwirkungen und ist auch für
höchste Drehzahlen geeignet. Auch sein Verschleiß ist gering. Selbst wenn ein Verschleiß
auftritt, so bleibt der Freilauf weiterhin wirksam, weil lediglich die Klemmringe
in axialer Richtung nachrücken. Drehschwingungen werden durch die erfindungsgemäßeAusbildung
ausgeglichen, ohne eineÄnderung des jeweiligen Freilaufzustandes hervorzurufen.
Sie können deshalb nicht mehr zerstörend wirken.
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Bei einer Ausführungsform mit im Querschnitt dachartig angeordneten
Klemmflächen ist der Außenring zweiteilig ausgebildet, und zwischen beiden Klemmringen
ist eine Spreizfeder angeordnet, die beide Klemmringe ständig nach außen an die
Klemmflächen anlegt und die gegebenenfalls in der Teilfuge des zweiteiligen Außenringes
festgelegt sein kann. Auch der die Schrägflächen aufnehmende innere Freilaufring
kann zweiteilig ausgebildet sein, wobei die zur Verbindung zwischen dem Außenring
und den beiden Klemmringen dienenden Schrägflächen in an sich bekannter Weise als
schräge Keilnutführung oder als Schrägverzahnung ausgebildet sein können.
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Von besonderem Vorteil ist jedoch die Verbindung des inneren Freilaufringes
mit den beiden Klemmringen über Nocken, die einerseits mit den in einer Drehrichtung
wirkenden Schrägflächen zur Erzeugung einesAxialdruckes und andererseits mit in
der anderen Drehrichtung wirkenden achsparallelen Gegenflächen versehen sind. Die
Nocken selbst sind im wesentlichen pfeilförmig ausgebildet, derart, daß die Pfeilspitze
in dieVorwärtsdrehrichtung zeigt. Dabei kann der Innenring zweckmäßig ungeteilt
ausgebildet sein.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung zeigen die Ausführungsbeispiele,
die in den Zeichnungen dargestellt sind. Es zeigt Fig. 1 eine Freilaufanordnung
im. Schnitt in einer hydrodynamischen Kraftfahrzeugkupplung, Fig. 2 einen Schnitt
nach der Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 die Spreizfederanordnung als Einzelheit im
Schnitt, Fig. 4 eine andere Freilaufausführung im Schnitt,
Fig.
5 und 6 einen Schnitt durch die Nockenanordnung nach der Linie V-V in Fig. 4 in
Freilauf- und in der Sperrstellung, Fig.7 eine andere Ausbildung der Nocken am inneren
Freilaufring, Fig. 8 und 9 zwei verschiedene Freilaufausführungen bei Gasturbinen
im Schnitt.
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Nach Fig. 1 erfolgt der Antrieb von einem nicht dargestellten Kraftfahrzeugmotor
über die Antriebswelle 10 auf denPrimärteil 11 einer hydrodynamischen Kupplung.
Vom Sekundärteil 12 aus wird über eine Hülse 13 und eine mechanische Trennkupplung
14 das Drehmoment auf die Abtriebswelle 15 weitergeleitet. Die Hülse 13 ist mit
einem Hals 16 über ein Wälzlager 17 im Primärteil 11 gelagert. Neben dem Wälzlager
17 befindet sich ein Freilauf 18, der als Gegenfreilauf wirkt und immer dann sperrt,
wenn die Abtriebswelle 15 bei eingelegter Trennkupplung 14 die Antriebswelle
10 überholen will. Auf diese Weise wird es möglich, das Bremsmoment des Motors
auszunutzen und ihn durch das rollende Fahrzeug anzuwerfen.
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Der Außenring des Freilaufes 18 ist in achsnormaler Ebene geteilt
und besteht aus zwei Ringteilen 19 und 20, die miteinander und am Primärteil 11
durch Schrauben befestigt sind. Beide Ringteile 19 und 20 sind innen mit konischen
Klemmflächen versehen, die zusammen einen dachförmigen Querschnitt ergeben. Die
Ringteile 19 und 20 können auch ohne einen Absatz im Flansch ausgebildet sein, so
daß gleiche Ringe verwendet und spiegelbildlich angeordnet werden können.
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Als Klemmkörper des Freilaufes 18 dienen zwei Klemmringe 23 und 24,
die am äußeren Umfang Klemmflächen 21 und 22 mit entsprechender Kegelneigung aufweisen.
Beide Klemmringe 23 und 24 sind spiegelbildlich zueinander angeordnet und axial
bewegbar. Zwischen ihnen ist nach Fig. 3 eine Spreizfeder 25 vorgesehen, die sie
nach außen in ständiger Anlage mit den Klemmflächen 21 und 22 an den entsprechenden
Klemmflächen des Außenringes 19, 20 hält. Die Feder 25 kann in der Teilfuge 26 zwischen
den beiden Ringteilen 19 und 20 festgelegt sein oder z. B. als gewellter
Federring ohne besondere Festlegung zwischen den beiden Klemmringen 23 und 24 liegen.
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Der Innenring des Freilaufes 18 ist ebenfalls zweiteilig und besteht
aus den beiden Ringteilen 27 und 28, die auf dem Hals 16 spiegelbildlich zueinander
befestigt sind. Die Verbindung zwischen den beiden Klemmringen 23 und 24 und dem
inneren Freilaufring 27, 28 erfolgt über Schrägflächen derart, daß die Klemmringe
23 und 24 axial stets gegenläufig, d. h. je nach der Drehrichtung
entweder auseinander oder aufeinander zu bewegt werden. Als Schrägflächen dienen
nach Fig. 2 schräge Keilnutführungen 29 und 30 an dem inneren Freilaufring 27, 28,
in die entsprechende Keilnutführungen 31 und 32 der beiden Klemmringe eingreifen.
Die Keilentführungen 29 bis 32 können auch durch entsprechende Verzahnungen ersetzt
werden. Sie sind spiegelbildlich zur Teilfuge 26 derart angeordnet, daß bei Vorwärtsdrehung
des inneren Freilaufringes 27, 28 die beiden Klemmringe 23 und 24 gespreizt werden.
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Die Wirkungsweise des Freilaufes ist folgende: i Treibt der Motor
über die Antriebswelle 10 die hydrodynamische Kupplung in der Drehrichtung des Pfeiles
33 der Fig.2 an, so liegen infolge des Schlupfes in der hydrodynamischen
Kupplung die als Keilnutführungen 29 bis 32 ausgebildeten Schrägflächen der beiden
Klemmringe 23 und 24 und des inneren Freilaufringes 27, 28 in der in Fig. 2 dargestellten
Lage > aneinander an. Die Spreizfeder 25 hält dabei die beiden Klemmringe 23 und
24 soweit voneinander gespreizt, daß an den Klemmflächen 21 und 22 mit den entsprechenden
Flächen im Außenring 19, 20 Reibungsschluß herrscht. Eine Kraftübertragung
an den Klemmflächen findet jedoch nicht statt, d. h. der Freilauf ist gelöst.
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Sobald jetzt z. B. durch Drosselung der Motor verlangsamt wird, bleibt
die Antriebswelle 10 gegenüber der Abtriebswelle 15 zurück, d. h. der innere
Freilaufring 27, 28 des Freilaufes18 ist bestrebt, schneller umzulaufen als der
Außenring 19, 20. Infolge des Reibungsschlusses an den Klemmflächen 21 und 22 bleiben
damit auch die beiden Klemmringe 23 und 24 gegenüber dem inneren Freilaufring 27,
28 zurück, d. h. ihre Schrägflächen 31 und 32 gehen in die in Fig.2 in gestrichelten
Linien gezeichnete Stellung über. Dabei werden sie durch die Schrägflächen 29 und
30 derart .auseinandergespreizt, daß an den Klemmflächen 21 und 22 Kraftschluß erzielt
wird. Der Freilauf befindet sich damit in der Sperrstellung.
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Wird die Drehzahl des Motors wieder erhöht, dann spielt sich der Vorgang
umgekehrt ab: Der Außenring 19, 20 des Freilaufes 18 läuft wieder schneller als
der Innenring 27, 28 und die Spreizwirkung der Schrägflächen 29 bis 32 auf die Klemmringe
23 und 24 hört auf, so daß sich der Kraftschluß an den Klemmflächen 21 und 22 löst
und lediglich noch durch die Spreizfeder 25 ein geringer Reibungsschluß aufrechterhalten
wird.
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Die Fig. 4 bis 6 zeigen einen Freilauf mit prinzipiell gleichem Aufbau.
Diesmal ist jedoch der innere Freilaufring 34 ungeteilt und an seinem Umfang mit
Nocken 35 versehen. Die Nocken 35 sind etwa pfeilförmig ausgebildet und derart angeordnet,
daß die Pfeilspitze bei der Vorwärtsfahrt in Richtung des Pfeiles 33 zeigt. Die
Nocken 35 sind an der Vorderseite mit Schrägflächen 36 versehen, während ihre Rückseiten
als achsparallele Gegenflächen 37 ausgebildet sind. Die beiden Klemmringe 23 und
24 sind an ihrem inneren Umfang mit .entsprechenden Gegennocken 38 und 39 versehen,
die ebenfalls Schrägflächen 40 und achsparallele Gegenflächen 41 aufweisen. Die
sonstige Ausbildung der Klemmringe 23 und 24 ist die gleiche wie vorher.
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Auch die Wirkungsweise ist im Prinzip dieselbe. Bei antreibendem Motor
liegen die Nocken 35 und 38; 39 in der in Fig. 5 dargestellten Stellung mit ihren
achsparallelen Flächen 37 und 41 aneinander an. Bei gedrosseltem Motor und rollendem
Fahrzeug dagegen liegen sie nach Fig. 6 mit den Schrägflächen 40 und 36 aneinander
an, so daß die Klemmringe 23 und 24 seitlich nach außen bewegt und damit die Klemmflächen
in der eingangs beschriebenen Weise kraftschlüssig aneinander gepreßt werden.
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Aus Fig. 5 und 6 ist weiterhin zu erkennen, daß zwischen der Freilauf-
und der Sperrstellung der Nocken 35 und 38, 39 ein Spiel 42 in Umfangsrichtung vorhanden
ist. Dieses Spiel 42 ist größer .als die größte Drehschwingungsamplitude des Antriebsmotors.
Es wird damit verhindert, daß im Rhythmus der Drehschwingungen des Motors der Freilauf
18 aus der in Fig. 5 dargestellten Freilaufstellung in die Sperrstellung nach Fig.
6 überführt wird. Bei den
meisten bisher bekannten Freiläufen hat
diese Erscheinung zu einer außerordentlich schnellen Zerstörung der Klemmkörper
geführt. Ein gleiches Spiel 42 ist auch bei der Ausführungsform nach Fig.1 bis 3
vorgesehen, wie Fig. 2 erkennen läßt. Durch die achsparallele Ausbildung der Gegenflächen
37 und 41 können die Klemmringe 23 und 24 niemals nach innen übermäßig zusammengedrückt
werden. Es wird dadurch verhindert, daß die Spreizfeder 25, die auch bei der Ausführungsform
nach Fig. 4 bis 6 vorhanden ist, abgeschert oder in anderer Weise beschädigt wird.
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Es ist auch eine andere Ausbildung der Nocken am inneren Freilaufring
bzw. an den Klemmringen möglich. So zeigt z. B. die Fig. 7 eine Ausführungsform,
wobei die Nocken 43 .am inneren Freilaufring 34 als Abschnitte von zwei symmetrisch
angeordneten Sinuskurvenbahnen - wie sie strichpunktiert dargestellt sind - ausgebildet
sind. Eine entsprechende Ausbildung erfahren dann auch die Nocken an den Klemmringen
23 und 24. Die Wirkungsweise ist dieselbe wie vorstehend beschrieben.
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Fig. 8 zeigt die Anwendung des Freilaufes bei einer Gasturbine, wobei
z. B. die Welle 10' mit dem Anlasser und die Welle 15' mit dem Kompressor der Turbine
verbunden ist. Im Gegensatz zu den bisher beschriebenen Ausführungsformen ist diesmal
der Freilauf nicht symmetrisch aufgebaut. Er besteht .aus einem Außenring 44 mit
einer konischen Klemmfläche 21' und dem Klemmring 45 mit einer gleichen konischen
Klemmfläche. Der Klemmring 45 ist an seinem inneren Umfang mit Schrägflächen 47
der beschriebenen Art, d. h. in Keilnut- oder Nockenausführung, mit der Welle 10'
verbunden. Am Klemmring 45 befinden sich mehrere Windflügel 46. Diese Windflügel
46 ergeben bei der Drehung eine Bremswirkung, so daß der Klemmring 45 gegenüber
der Welle 10' zurückzubleiben sucht. Durch die Schrägflächen 47 wird dabei ein Axialschub
in Richtung des Pfeiles 48 erzeugt, der einen ständigen Reibungsschluß an den Klemmflächen
21' sichert.
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Die Wirkungsweise ist im Prinzip dieselbe wie vorher: Bei antreibender
Welle 10' wird infolge der Schrägflächen 47 der Axialschub in Richtung des Pfeiles
48 so groß, daß an den Klemmflächen 21' Kraftschluß besteht. Der Freilauf ist damit
gesperrt. Eine Anlauffläche 56 nimmt den Axialschub auf und vergrößert gleichzeitig
die insgesamt zur Verfügung stehende Reibfläche. überholt jedoch die Welle 15' die
Welle 10', dann wird der Kraftschluß gelöst, weil sich infolge der Schrägflächen
47 der Klemmring 45 entgegen der Pfeilrichtung 48 bewegt. Der Freilauf ist damit
gelöst.
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Im Außenring 44 des beschriebenen Freilaufes ist in der Klemmfläche
21' eine Nut 49 eingestochen, die schraubenförmig verläuft. Sie hat dreieckigen
Querschnitt, derart, daß ihre äußere Begrenzungsfläche etwa waagerecht liegt. Durch
diese Nut 49 wird der Ölfilm an den Klemmflächen 21' in wirksamer Weise - gegebenenfalls.
im Zusammenhang mit am Klemmring 45 angeordneten achsparallelen Nuten - abgeschält
und zerstört.
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Fig. 9 zeigt einen Freilauf für denselben Anwendungsfall mit zwei
symmetrisch zueinander angeordneten Klemmringen 50 und 51, die in der beschriebenen
Weise innen über Nocken 52 mit der Welle 10"
verbunden sind. Dabei ragt der
Windflügel 53 des Klemmringes 51 durch entsprechende Schlitze 54 des Klemmringes
50 hindurch. Am Klemmring 50 selbst sind ebenfalls Windflügel 55 angeordnet,
die gegenüber den Windflügeln 53 in Umfangs- und/oder radialer Richtung versetzt
sind. Die Wirkungsweise dieser Anordnung entspricht der vorstehend beschriebenen
Wirkungsweise. Hierbei dient die Welle 10" entsprechend der Welle 10' als antreibende
und die Welle 15" entsprechend der Welle 15' als abtreibende Welle.