DE4003220A1 - Freilaufkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Freilaufkupplung mit in einem Käfig geführten Klemmkörpern, die zwischen zwei Umfangsflächen eines Drehantriebsglie­ des und eines Drehabtriebsgliedes angeordnet sind, wobei die eine Umfangsfläche kreiszylindrisch ausgebildet ist und die andere Umfangs­ fläche Klemmrampen aufweist, welche die Einstellung der Klemmkörper in zwei Kupplungseinrückstellungen für die beiden Drehrichtungen ermöglichen, mit einer Schalteinrichtung für den Käfig, mit welcher die Klemmkörper in Abhängigkeit von der Drehbewegung zumindest eines der Drehglieder in Richtung auf die jeweilige Kupplungseinrückstellung vorgespannt und in dieser Stellung gehalten werden, wobei die Schalteinrichtung ein in Umfangsrichtung auf den Käfig einwirkendes Schaltorgan aufweist.

Aus der DE-OS 27 40 638 ist eine Freilaufkupplung bekannt, die in ein Antriebssystem mit mehreren Zweigen, beispielsweise in ein Fahrzeug mit einem Vierradantrieb, eingebaut ist. Sie ermöglicht die Abgabe des Drehmoments des Antriebsmotors entweder nur an eine Antriebsachse, wenn ein Zweiradantrieb zweckmäßig ist, oder an beide Antriebsachsen, wenn ein Vierradantrieb erwünscht ist. Diese Kupplung ist eine doppelt­ wirkende Überholkupplung, die für beide Drehrichtungen die Vierradan­ triebsfunktion automatisch ein- oder ausschaltet. Zu diesem Zweck ist sie mit einer Schalteinrichtung ausgerüstet, die an einem festen Getriebege­ häuse montiert ist und als Schaltorgan einen Schleppring aufweist, der auf einem an dem Gehäuse befestigten Reibring angeordnet ist und während des Betriebes mit diesem in Reibeingriff steht. Mit der auftretenden Rei­ bung sind ein Energieverlust und der Nachteil verbunden, daß die reibenden Glieder der Abnutzung unterworfen sind. Außerdem ist diese Ausführung konstruktiv sehr aufwendig.

Wie sich beispielsweise aus der DE-PS 33 17 247 ergibt, ist bei einem Kraftfahrzeug beim Bremsen das automatische Abschalten des Antriebs einer Achse deshalb erwünscht, weil eine starre Kopplung der beiden Achsen zur Folge hätte, daß beim Überbremsen (Blockieren) der Vorderräder über den Antriebsstrang zwischen den Vorderrädern und den Hinterrädern zwangsweise auch die Hinterräder überbremst und somit blockieren würden. Ein Blockieren der Hinterräder führt aber bekanntlich zum Verlust der Fahrstabilität des Fahrzeugs.

Aus der DE-PS 38 30 199 ist eine Freilaufkupplung der eingangs genannten Art bekannt, bei der zum Schalten des Käfigs eine berührungslos arbeitende Bremseinrichtung vorgesehen ist. Bei diesem mit einer Viskosekupplung vereinigten Freilauf wird zwar der mit der auf­ tretenden gleitenden Reibung verbundene Nachteil der Verschleißbildung vermieden, jedoch ist auch der Betrieb dieser Freilaufkupplung mit einem ständigen Energieverlust infolge der Wirkung der Bremseinrichtung verbunden. Die Bremseinrichtung enthält als Schaltorgan einen Magneten, der auf eine mit dem Käfig verbundene Bremsscheibe einwirkt. Dieser kann als Permanentmagnet ausgebildet sein und dürfte damit in seiner Bremskraft begrenzt sein. Es kann aber auch ein Elektromagnet verwendet werden, für den sich dann die Notwendigkeit der Zuleitung elektrischer Energie ergibt. In jedem Fall wird auch hier für die magnetische Schalteinrichtung eine feste Abstützmöglichkeit gegenüber den drehbaren Teilen der Freilaufkupplung erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine konstruktiv einfache Freilaufkupplung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei auto­ matischer Schaltbarkeit unabhängig von festen Gehäuse- oder Anschluß­ teilen in einen Antriebsstrang eingebaut werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schaltorgan zwischen den beiden Drehgliedern angeordnet und den möglichen Schalt­ stellungen entsprechend geführt, sowie nach außen von der Fliehkraft und nach innen von einer Rückstellkraft beaufschlagt ist. Durch die Anord­ nung des Schaltorgans zwischen den beiden Drehgliedern, also innerhalb der drehbaren Teile der Freilaufkupplung, und durch seine Führung dort zu unterschiedlichen Schaltstellungen werden konstruktive Verbindungen des Schaltorgans mit festen Anschluß- oder Gehäuseteilen entbehrlich, so daß hierdurch bedingte Reibungs- und Verschleißerscheinungen sowie Energieverluste vermieden werden. Gleichzeitig wird durch den Fortfall von festen Anschlußteilen die Konstruktion des schaltbaren Freilaufs vereinfacht.

Die Rückstellkraft für das von der Fliehkraft beaufschlagte Schaltorgan kann in einfacher Weise von einer Rückstellfeder erzeugt werden. Es ist aber auch möglich, als Rückstellkraft die Kraft eines Magneten, vorzugs­ weise eines Permanentmagneten, auszunutzen.

Die Schalteinrichtung kann mehrere in Umfangsrichtung in gleichen Ab­ ständen voneinander angeordnete Schaltorgane aufweisen. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Massenverteilung am Umfang des Freilaufs. Um eine Unwucht zu vermeiden, genügt es bereits, wenn zwei Schalteinrich­ tungen vorgesehen werden, die in einem Umfangswinkel von 180 Grad voneinander angeordnet sind. Es ist auch möglich, nur eine Schalteinrich­ tung mit einer zusätzlichen, am Umfang gegenüberliegenden Ausgleichs­ masse anzuordnen.

Bevorzugt ist jedes Schaltorgan eine Kugel, die in einem U-förmigen Käfigausleger radial geführt ist. In diesem Fall kann die Rückstellfeder für das Schaltorgan als Schraubenfeder ausgebildet sein, die sich innerhalb des Käfigauslegers mit einem Ende an dessen U-Steg und mit dem anderen Ende an dem als Kugel ausgebildeten Schaltorgan abstützt.

Die Kugel ist bevorzugt zwischen zwei benachbarten Stirnflächen der bei­ den Drehglieder angeordnet. Dabei kann das Drehantriebsglied als Außen­ ring ausgebildet sein, an dessen einer Stirnfläche die Kugel unmittelbar abgestützt ist, während das Drehabtriebsglied als Innenring mit einem aufgesteckten Schaltring ausgebildet sein kann, an dessen Stirnfläche die Kugel in einer die möglichen Schaltstellungen bestimmenden U-förmigen Nut abgestützt ist. Diese Nut des Schaltringes kann in der Form eines in Umfangsrichtung verlaufenden U-Steges mit radial nach außen ver­ laufenden U-Schenkeln ausgebildet sein. Auf diese Weise ergibt sich eine definierte Führung der Kugel, wobei deren Anordnung innerhalb eines U-Schenkels der Nut jeweils einer arretierten Kupplungseinrückstellung für die entsprechende Drehrichtung entspricht, während die Anordnung der Kugel in der Mitte des U-Steges der Nut einer Überholstellung der Freilaufkupplung in beiden Drehrichtungen entspricht.

Über den Käfigausleger, der einstückig mit dem Käfig für die Klemm­ körper ausgeführt sein kann, wirkt die Kugel in Umfangsrichtung auf den Käfig ein, entsprechend ihrer Führung innerhalb der U-förmigen Nut des Schaltringes. Wenn keine Fliehkraft wirkt und die Kugel infolge der Wirkung ihrer Rückstellfeder sich innerhalb des U-Schenkels der Nut befindet, wird sie bevorzugt dadurch zur Mitte des U-Schenkels hin gedrückt, daß der Käfig über den U-förmigen Käfigausleger in jeder Umfangsrichtung von einer Drehfeder beaufschlagt ist, die mit einem Ende an dem Schaltring gehalten ist.

Innerhalb des U-Steges der Nut ist die Kugel dadurch axial vorgespannt, daß der auf das eine Drehglied aufgesteckte Schaltring federnd in Richtung der Stirnfläche des anderen Drehgliedes gedrückt wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine Freilaufkupplung, teilweise in der Seitenansicht und teilweise in einem axialen Schnitt;

Fig. 2 die Freilaufkupplung gemäß Fig. 1 in einer stirnseitigen Ansicht mit einem Teilausschnitt gemäß Linie II-II der Fig. 1;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende stirnseitige Teilansicht eines in der Kupplung eingebauten Schaltringes;

Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV der Fig. 3 durch den eine Nut aufweisenden Bereich des Schaltringes;

Fig. 5 einen Schnitt gemäß Linie V-V der Fig. 3 durch den die Nut aufweisenden Bereich des Schaltringes;

Fig. 6 einen der Fig. 4 entsprechenden Teilausschnitt durch den Schaltring und den benachbarten Außenring mit dazwischen angeordneter, in einem Käfigausleger geführter Schaltkugel.

Die Freilaufkupplung weist einen Innenring 1, einen diesen konzentrisch umgebenden Außenring 2 und einen zwischen dem Innenring 1 und dem Außenring 2 angeordneten Käfig 3 auf, in dem Klemmkörper 4 in Taschen angeordnet sind. Die Klemmkörper 4 sind als zylindrische Rollen ausgebildet und stützen sich an einer inneren kreiszylindrischen Ober­ fläche des Außenringes 2 und an Klemmrampen 5 ab, die an der äußeren Oberfläche des Innenringes 1 in Umfangsrichtung hintereinander ausge­ bildet sind.

An einem Ende des Käfigs 3 schließt sich in axialer Richtung ein Schalt­ ring 6 an, der auf den Innenring 1 axial aufgesteckt und verschiebbar, jedoch gegenüber dem Innenring 1 undrehbar gehalten ist. Zu diesem Zweck weist der Schaltring 6 an seiner inneren Oberfläche ein den Klemmrampen 5 entsprechendes Steckprofil 7 auf. An seiner auf den Käfig 3 gerichteten Stirnseite ist der Schaltring 6 mit einer U-förmigen Nut 8 versehen, die einen in Umfangsrichtung verlaufenden U-Steg 9 und zwei von diesem radial nach außen sich erstreckende U-Schenkel 10 aufweist. In diese Nut 8 ragt eine Kugel 11 mit einem Oberflächenbereich hinein, die sich an ihrer von diesem Bereich abgewandten anderen Seite an einer Stirnfläche 12 des Außenringes 2 abstützt.

Gegenüber dem Innenring 1 ist der Außenring 2 mit einem Radialkugel­ lager 21 und einem Radialrollenlager 13 drehbar gelagert. Dieses Radial­ kugellager schließt sich an der Seite des Käfigs 3 an, die von dem Schaltring 6 abgewandt ist, während das Radialrollenlager 13 sich zwi­ schen dem Schaltring 6 und dem Außenring 2 befindet. Der Käfig weist an der Umfangsstelle, an der sich die Kugel 11 befindet, einen U-förmi­ gen Käfigausleger 14 auf, in welchem die Kugel 11 radial geführt ist. Zwischen dem U-Steg des Käfigauslegers 14 und der Kugel 11 ist eine Schraubendruckfeder angeordnet, die bei der Bewegung der Kugel 11 radial nach außen infolge der Fliehkraft als Rückstellfeder 15 wirkt. An dem Schaltring 6 wird der Käfig 3 mit Hilfe von zwei Drehfedern 16 in seiner Lage federnd gehalten, die jeweils mit einem Ende auf den Käfigausleger 14 in Umfangsrichtung einwirken, während sie jeweils mit ihrem anderen Ende an dem Schaltring gehalten, und zwar auf einen Zapfen 17 aufgesteckt sind.

Der Schaltring 6 wird mit Hilfe einer als Wellfeder ausgebildeten Druck­ feder 18 in Richtung auf die Stirnfläche 12 des Außenringes gedrückt. Zu diesem Zweck weist der Innenring 1 eine Umfangsnut auf, in die ein Sprengring 19 eingesetzt ist. Dieser dient zur Abstützung eines axialen Endes der Druckfeder 18, die mit ihrem anderen axialen Ende an der äußeren Stirnseite des Schaltringes 6, also an der von der Kugel 11 abge­ wandten Stirnseite, anliegt. Die axiale Bewegung des Schaltringes 6 in Richtung auf die Stirnfläche 12 infolge der Wirkung der Druckfeder 18 wird von einem Axiallager 20 begrenzt, das sich zwischen dem Schaltring 6 und dem Außenring 2 befindet. Diese Anordnung ermöglicht es, die Kugel 11 im mittleren Bereich des U-Steges 9 der Nut 8 axial vorzuspannen, da der U-Steg 9 hier seine geringste Nuttiefe aufweist. Die Nut 8 hat eine solche Kontur, daß die Nuttiefe am U-Steg 9 von der Mitte aus in beide Umfangsrichtungen größer wird. Die Kugel 11 wird daher dann, wenn sie sich in dem unteren Bereich eines U-Schenkels 10 befindet, axial nicht mehr vorgespannt, weil die Nuttiefe hier so groß ist, daß das Maß von dem Außenring 2 zum Nutgrund größer als der Durchmesser der Kugel 11 ist, während es in der Mitte des U-Steges 9 kleiner ist. Diese Stellung der Kugel unterhalb des U-Schenkels ohne axiale Vorspannung zwischen dem Schaltring 6 und dem Außenring 2 wird von dem Axiallager 20 ermöglicht, das eine weitere Bewegung des Schaltringes 6 zum Außenring 2 hin verhindert.

Die Wirkungsweise der Freilaufkupplung wird am Beispiel ihres Einbaus in einem Antriebsstrang eines Kraftwagens im folgenden beschrieben. Dabei kann der Außenring 2 starr mit der Vorderachse und über die Hauptkupplung und das Schaltgetriebe mit dem Motor verbunden sein, während der Innenring 1 mit der Kardanwelle und über diese mit der Hinterachse starr verbunden sein kann.

Bei stehendem Fahrzeug und abgeschaltetem Motor befindet sich die Kugel 11 als Schaltorgan für die erfindungsgemäße Freilaufkupplung in der in den Fig. 1, 2 und 6 gezeichneten Stellung. Für eine bessere Übersichtlichkeit wurde in Fig. 2 die Nut 8 nicht dargestellt. Diese Stellung ergibt sich aufgrund der Wirkungen der Rückstellfeder 15, der Drehfedern 16 und der Druckfeder 18. Wenn nun der Wagen anfahren soll und der Außenring 2 vom Motor in Drehung versetzt wird, während der Innenring 1 noch steht, wälzt sich die Kugel 11 an der Stirnfläche 12 des Außenringes 2 und in dem U-Steg 9 der Nut 8 des Schaltringes 6 in Umfangsrichtung ab und nimmt über den Käfigausleger 14 den Käfig 3 in dieser Richtung mit. Dadurch erfolgt die Klemmung der Klemmkörper 4 an den Klemmrampen 5, so daß der Kraftfluß vom Außenring 2 über die Klemmkörper 4 zum Innenring 1 hergestellt ist und der Innenring 1 sich mit der Drehzahl des Außenringes 2 drehen muß. Die Kugel 11 ist bei diesem Vorgang an das untere Ende eines der U-Schenkel 10 bewegt worden. Mit steigender Drehzahl wächst an der Kugel 11 die Fliehkraft an, bis sie die Kraft der Rückstellfeder 15 überwindet und die Kugel 11 in den U-Schenkel 10 radial nach außen gelangt. Nun kann der Käfig 3 aus seiner die Klemmkörper 4 in der Klemmstellung haltenden Lage sich nicht zurückbewegen, weil er von der Kugel 11 innerhalb des U-Schenkels 10 gehalten wird. Bei dieser Drehbewegung des Außenringes 2 und des Innenringes 1 ist somit die Klemmstellung verriegelt. Dabei werden beide Achsen des Fahrzeugs angetrieben.

Wenn nun die Antriebsdrehzahl am Außenring 2 verringert wird, beispiels­ weise weil nicht mehr Gas gegeben wird, so dreht sich der Innenring 1 zunächst noch schneller als der Außenring 2 und es erfolgt am Freilauf der Überholbetrieb. Dann besteht nur noch die starre drehmomentmäßige Verbindung zwischen dem Motor und der Vorderachse, während die drehmomentmäßige Verbindung zur Hinterachse aufgehoben ist. Aufgrund der weiter bestehenden Fliehkraft bleibt die Kugel 11 in dem U-Schenkel 10 radial außen, so daß die Schaltstellung der Freilaufkupplung erhalten bleibt. Diese Abkopplung der Hinterachse vom Antrieb ist beispielsweise erwünscht bei Kurvenfahrt, bei Talfahrt oder beim Bremsen.

Bei weiter absinkender Antriebsdrehzahl des Außenringes 2 und des Innenringes 1, beispielsweise infolge des Bremsens, bis zum Stillstand der Freilaufkupplung, sinkt die Fliehkraft völlig ab, so daß die Rückstellfeder 15 die Kugel 11 in dem U-Schenkel 10 radial nach innen drückt, bis diese sich wieder in dem U-Steg 9 befindet. Wird jetzt beispielweise der Rückwärtsgang eingeschaltet, so daß eine Drehrichtungsumkehr des Antriebs erfolgt, so dreht die Stirnfläche 12 des Außenringes 2 die Kugel 11 in dem U-Steg 9 der Nut 8 des Schaltringes 6 über die Mitte des U-Steges 9 hinaus zu dessen anderem Ende. Dieser Vorgang wird durch die an dem Käfigausleger 14 angreifende, von den beiden Drehfedern weiter ausgelenkte Drehfeder 16 unterstützt. Bei dem Abwälzvorgang wird die Kugel 11 von der Druckfeder 18 in dem U-Steg 9 axial vorgespannt, weil zur Mitte des U-Steges 9 hin die Nuttiefe abnimmt und der Schaltring 6 daher entgegen der Wirkung der Druckfeder 18 längs des Innenringes 1 von der Kugel 11 geringfügig verschoben werden muß. Dadurch ist ein eindeutiger Abwälzvorgang der Kugel 6 an den anliegenden Oberflächen gewährleistet. Die Kugel 11 nimmt dabei wieder den Käfig 3 über den Käfigausleger 14 mit und bewegt so die Klemmkörper 4 auf den Klemmrampen 5 des Innenringes 1 in die andere Klemmstellung, so daß nun auch bei dieser neuen Drehrichtung ein Kraftfluß von dem Außenring 2 über die Klemmkörper 4 zum Innenring 1 besteht. Diese neue Klemmstellung wird mit steigender Drehzahl dadurch verriegelt, daß die sich nun am unteren Ende des anderen U-Schenkels 10 befindende Kugel 11 aufgrund der anwachsenden Fliehkraft in dem U-Schenkel 10 radial nach außen bewegt.

Die erfindungsgemäße Freilaufkupplung ermöglicht es also, in der Antriebsphase beide Achsen drehmomentmäßig mit dem Motor zu ver­ binden, während bei Verringerung des Antriebsmomentes die Hinterachse automatisch abgekoppelt wird.

Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Fliehkraftarretierung von Innenring und Außenring mittels des Schaltorgans formschlüssig, sie kann in anderen Ausführungen jedoch auch reib- bzw. stoffschlüssig ausgeführt sein.

Statt der vorliegenden Ausführung mit einem rechts- und links­ klemmenden Freilauf mit zwei Schaltstellungen des Schaltorgans sind auch Ausführungen mit weiteren drehzahlgesteuerten Schaltstellungen, beispielsweise mit einer Mittelstellung bei entsprechender konstruktiver Gestaltung der Nut des Schaltringes, denkbar.

Claims (10)

1. Freilaufkupplung mit in einem Käfig geführten Klemmkörpern, die zwischen zwei Umfangsflächen eines Drehantriebsgliedes und eines Drehabtriebsgliedes angeordnet sind, wobei die eine Umfangsfläche kreiszylindrisch ausgebildet ist und die andere Umfangsfläche Klemmrampen aufweist, welche die Einstellung der Klemmkörper in zwei Kupplungseinrückstellungen für die beiden Drehrichtungen ermöglichen, mit einer Schalteinrichtung für den Käfig, mit welcher die Klemmkörper in Abhängigkeit von der Drehbewegung zumindest eines der Drehglieder in Richtung auf die jeweilige Kupplungseinrückstellung vorgespannt und in dieser Stellung gehalten werden, wobei die Schalteinrichtung ein in Umfangsrichtung auf den Käfig einwirkendes Schaltorgan aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltorgan zwischen den beiden Drehgliedern angeordnet und den möglichen Schaltstellungen entsprechend geführt, sowie nach außen von der Fliehkraft und nach innen von einer Rückstellkraft beaufschlagt ist.

2. Freilaufkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltorgan nach innen von einer Rückstellfeder (15) beaufschlagt ist.

3. Freilaufkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung mehrere in Umfangsrichtung in gleichen Abständen voneinander angeordnete Schaltorgane aufweist.

4. Freilaufkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Schaltorgan eine Kugel (11) ist, die in einem U-förmigen Käfigausleger (14) radial geführt und zwischen zwei benach­ barten Stirnflächen der beiden Drehglieder angeordnet ist.

5. Freilaufkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehantriebsglied als Außenring (2) ausgebildet ist, an dessen einer Stirnfläche (12) die Kugel (11) unmittelbar abgestützt ist.

6. Freilaufkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehabtriebsglied als Innenring (1) mit einem aufgesteckten Schaltring (6) ausgebildet ist, an dessen Stirnfläche die Kugel (11) in einer die möglichen Schaltstellungen bestimmenden U-förmi­ gen Nut (8) abgestützt ist.

7. Freilaufkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (8) des Schaltringes (6) in der Form eines in Umfangsrichtung ver­ laufenden U-Steges (9) mit von der Mitte nach außen zunehmender Nuttiefe und mit von dem U-Steg (9) radial nach außen verlaufenden U-Schenkeln (10) ausgebildet ist.

8. Freilaufkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig (3) über den U-förmigen Käfigausleger (14) in jeder Umfangsrichtung von einer Drehfeder (16) beaufschlagt ist, die mit einem Ende an dem Schaltring (6) gehalten ist.

9. Freilaufkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (15) als Schraubenfeder ausgebil­ det ist, die sich innerhalb des Käfigauslegers (14) mit einem Ende an des­ sen U-Steg und mit dem anderen Ende an der Kugel (11) abstützt.

10. Freilaufkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kugel (11) zwischen der Stirnfläche (12) des Außenringes (2) und dem U-Steg (9) der Nut (8) des Schaltringes (6) axial federnd vorgespannt ist.