Die Erfindung betrifft einen formschlüssiger Freilauf zur Übertragung von Drehmo¬ menten in nur einer Richtung mit einem Ring mit formschlüssigen Konturen und einem zweiten Ring mit Formschlusselementen (201 , 301 ), die in einer Richtung in den Formschlusskonturen selbsthemmend verriegeln und in der Gegenrichtung aus¬ gekämmt werden und die angefedert mit den Formschlusskonturen selbsthemmend in Kontakt gehalten werden,

Freiläufe übertragen Drehmomente drehrichtungsgebunden für unterschiedliche Anwendungen, als Rücklaufsperren oder Überholkupplungen.

In besonderen Anwendungsfällen werden die Zeitanteile des Lastkollektivs, in denen der Freilauf im Überholbetrieb läuft, sehr gering. Eine solche Lastverteilung ergibt sich z.B. wenn Freiläufe die Funktion als Schwingungstilger erfüllen sollen. Dabei werden Resonanzen dadurch vermieden, dass die Rückkopplung der Wechselmo¬ mente durch die drehrichtungsgebundene Momentenübertragung von Freiläufen unterbrochen wird. In solchen Fällen arbeitet der Freilauf praktisch ausschließlich im verriegelten Zustand, nur bei Auftreten der Resonanzdrehzahlen wird das Moment kurzzeitig unterbrochen. Für solche Einsätze erweist sich ein Freilauf als optimaler Schwingungstilger, da er Resonanzen nicht dämpfen und damit Energie absorbieren und in Wärme umwandeln muss, sondern die Entstehung von Schwingungsenergien verhindert. In allen Antriebssträngen, in denen eine Leistungsübertragung nur in eine Richtung benötigt wird und dauerhafte Überholdrehzahlen nicht auftreten, kann die Freilauffunktion auch mit hoher Drehmomentdichte durch die vorliegende Erfindung bei sehr preisgünstiger Fertigung erfüllt werden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen formschlüssigen Freilauf der ein¬ gangs genannten Art zu entwickeln, der im Hinblick auf die vorstehend genannten Anwendungsfälle optimiert ist.

Diese Aufgabe wird durch den Freilauf nach Anspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Nach einer ersten Ausführungsform wird ein verzahnter Ring, in den Fig. 1 bis 6 als Hohlrad ausgeführt, gefertigt, der das Drehmoment auf einer der beiden Wellen überträgt. Auf der anderen Welle sitzt ein Trägerring mit auf dem Umfang ange¬ brachten, elastischen Kupplungselementen, die mit dem Hohlrad formschlüssig in Eingriff stehen. Die Verzahnung ist asymmetrisch, so dass die Kupplungselemente in einer Drehrichtung selbsthemmend in Eingriff gehalten und in der Gegenrichtung ausgekämmt werden, in dem sie elastisch verformt und so aus dem Eingriff gehoben werden. In der Überholbewegung schwingen die Kupplungselemente dann hin und her, während sie durch die Federkraft der elastischen Verformung in die Verzahnung hinein gedrückt und wieder ausgekämmt werden.

Die Freilaufwirkung verläuft damit analog zu den bekannten Sperrklinkenfreiläufen, wobei hier wegen der Vielzahl von Zähnen und sehr fein verzahnten Kupplungsele¬ menten eine sehr gute Stellgenauigkeit erreicht werden kann und auf dem Umfang so viele Kupplungselemente untergebracht werden können, dass im Wesentlichen jeder Zahn des Hohlrades im Eingriff steht und an der Drehmomentübertragung teil¬ nimmt. Die elastische Ausführung durch ein geeignetes Material ermöglicht die Gestaltung des Innenringes aus nur einem einzigen Teil, das die Funktion des Sperrklinkenträgers, aller Sperrklinken, sowie der Anfederung übernimmt. Die mehr¬ fache statische Überbestimmung, für die bei harter Materialwahl künstliche zusätzli¬ che Elastizitäten zum Toleranzausgleich integriert werden müssten, entfällt durch Eigenelastizität des Werkstoffes. Die einzelnen Formschlusselemente, die elastisch ein- und ausgekämmt werden können, tragen einen oder mehrere Zähne, die mit dem Hohlrad in Eingriff gebracht werden.

Kritische Belastungen von Freiläufen, die Leistungsgrenzen bestimmen und Anwen¬ dungsbereiche begrenzen, liegen in der Dynamik des Schaltverhaltens begründet. Bei der Verwendung zur Drehschwingungsentkopplung ergeben sich insbesondere sehr steile Anstiegsflanken im Aufbau von Überholgeschwindigkeiten. Wenn dann

der Einriegelvorgang der ersten Zahnpaarung durch z.B. eine ungünstige Phasen¬ lage verpasst wird, können die aufgebauten Differenzgeschwindigkeiten der Form¬ schlusselemente schnell den kritischen Grenzwert überschreiten, der sich einerseits aus dem Geschwindigkeitsdreieck der Umfangsrelativgeschwindigkeit der Zahnspitze eines Formschlusselementes, der Radialgeschwindigkeit dieser Zahnspitze in der Einriegelbewegung und der aus beiden resultierenden gesamten Relativgeschwin¬ digkeit ergibt und der andererseits begrenzt ist durch die geforderte Mindesttiefe, die die Zahnspitze in die entsprechende Tasche im Außenring eindringen muss, um nicht wieder herausgedrückt sondern stattdessen weiter eingeriegelt zu werden.

Das bedeutet, dass der Zahn schnell genug beschleunigt werden muss, um in die Zahnlücke auch dann hineinzufinden, wenn die Differenzgeschwindigkeiten zwischen Innen- und Außenring bereits relativ hoch sind. Hohe Beschleunigungswerte erfor¬ dern hohe Beschleunigungskräfte, die aus der Elastizität des Zahnträgers bereitge¬ stellt werden müssen.

Gleichzeitig dürfen die Werkstoffspannungen durch die Biegeverformung der Zahn¬ träger die niedrigen Grenzwerte für thermoplastische Materialien nicht überschreiten. Dazu wird erfindungsgemäß das Formschlusselement auf einem Biegeträger ange¬ formt, der als Träger gleicher Werkstoffspannung ausgeführt ist, so dass im ausge- riegelten Zustand eine gleichmäßig verteilte Biegespannung aufgebaut wird, die unterhalb der Fließgrenze des Materials liegt. Aus dieser Forderung ergeben sich schlanke Querschnitte, die wiederum im eingeriegelten Zustand, wenn hohe Umfangskräfte übertragen werden sollen, zum Überschreiten der zulässigen Streck¬ grenze des Werkstoffes führen. Somit ergibt sich ein Widerspruch in der Zielstellung, einerseits schlanke Geometrien wählen zu müssen, die bei geringer Werkstoffspan¬ nung auf Biegung verformt werden können, und andererseits massive Geometrien an gleicher Stelle zu bevorzugen, die in der Lage sind, die hohen Umfangskräfte mit Druckspannungen unter Last auszuhalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem die Biegeträger schlank und fle¬ xibel ausgeführt sind und im eingeriegelten Zustand die Biegträger im Wesentlichen

lastfrei bleiben, indem die Formschlusselemente an Konturen anliegen, die massiv ausgeführt sind und in denen die Umfangskräfte der Lastmomente aufgenommen werden.

Die für diese Anwendung hinreichend elastischen Werkstoffe verfügen in der Regei im Vergleich zu Metallen über deutlich geringere Festigkeitswerte. Dennoch lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Freilauf vergleichbar hohe Drehmomentdichten erzielen, da statt einer oder drei Sperrklinken der gesamte Umfang im Formschluss steht und die Kraftverteilung durch Eigenelastizität praktisch vollständig homogen ist. Zusätzlich werden Kupplungsstöße ebenfalls durch Eigenelastizität absorbiert und führen nur zu geringen Lastüberhöhungen.

Die bei formschlüssigen Freiläufen üblichen Klickergeräusche beim Überrollen wer¬ den akustisch im elastischen Werkstoff deutlich besser gedämpft. Das innenver¬ zahnte Hohlrad ist in einer besonderen Ausführung ebenfalls aus einem elastischen Material. Um die Kräfte aus den beiden elastischen Bauteilen ( Hohlrad und Innen¬ ring) in die An- bzw. Abtriebswellen bei geringen Werkstoffspannungsspitzen ein- bzw. auszuleiten, sind in einer bevorzugten Ausführung beide Bauteile mit Form¬ schlusselementen auf dem Innen und/oder Außenumfang und/oder auf den axialen Flächen versehen, die in entsprechende Gegenstücke auf den Wellen und Flanschen des Antriebsstranges passen. Bei einer besonders kompakten Ausführung, sind die Ringe radial sehr flach und die angeschlossenen Wellen und Flansche hinterfüttern die Ringe und halten sie auch unter Last formstabil.

In einer weiteren Variante sind an einem oder beiden Bauteilen, Hohlrad und Innen¬ ring, z.B. axial versetzt glatte Flächen angeformt, die als Gleitlager im Überholbetrieb dienen und beide Teile zueinander zentrieren. In dieser Variante sind den Materialien Komponenten beigefügt, ähnlich wie in Kunststoffgleitlagern, die hohe Verschleißfes¬ tigkeit und geringe Reibung verursachen. Die Gleitflächen sind vorzugsweise axial versetzt auf verschiedenen Radien angebracht, so dass der erfindungsgemäße Freilauf durch ineinander stecken von zwei Bauteilen axial montiert werden kann.

In weiteren Varianten sind die erfindungsgemäßen Freiläufe komplementär ausge¬ führt, d.h. statt des Hohlrades kämmt ein außenverzahntes Zahnrad mit einem Trä¬ gerring, auf dem die Kupplungselement nach innen aufgehängt sind. In einer weite¬ ren Variante sind Verzahnung und Kupplungselemente nicht radial sondern axial angeordnet.

In einer besonderen Variante sind die Geometrien der Verzahnung und der Kupp¬ lungselemente so gewählt, dass ebenfalls in einer Richtung ein- und in Gegenrich¬ tung ausgekämmt wird, dass jedoch bei Überschreiten einer Grenzbelastung die Kupplungselemente auch in Sperrrichtung elastisch wegkippen und so die Funktion einer Überlastsicherung entsteht.

Weitere Vorteile und Ausführungsformen werden im Folgenden anhand der Zeich¬ nungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 , 2 einen Freilauf in verschiedenen Seitenansichten,

Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung „A" nach Fig. 2,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Freilaufes nach Fig. 1 bis 3,

Fig. 5 ein Segment eines weiteren Freilaufes im verriegelten und

Fig. 6 das Segment nach Fig. 5 im entriegelten Zustand.

Fig. 1 bis 4 zeigen einen Freilauf in einer Seitenansicht ausgeführt aus einem elasti¬ schen Material mit dem Außenring 100 und dem Innenring 200. Der Außenring 100 weist auf dem äußeren Umfang die Ausnehmungen 103 auf, mit denen er form¬ schlüssig das Drehmoment an die nicht dargestellten Anschlusswellen übertragen kann. Ferner weist der Außenring 100 eine Innenverzahnung 101 auf, die mit den biegeelastisch ausgeführten Zähnen 201 eines Innenringes 200 im Eingriff stehen. Die Verzahnung ist so asymmetrisch ausgeführt und die Zähne 201 sind in einem

Winkel auf dem Innenring 200 fixiert, dass in einer Drehrichtung ein Drehmoment übertragen wird, das sich selbsthemmend stabilisiert, wohingegen in der Gegenrich¬ tung die Zähne durch die asymmetrischen Zahnflanken ausgekämmt werden. Die Anzahl der Zähne 201 sollte möglichst groß gewählt werden, vorzugsweise mindes¬ tens .30 bis 120 über den gesamten 360° Umfang gewählt werden.

Die Zahnhälse dienen damit gleichzeitig als Anfederung. In einer besonderen Aus¬ führung wird die Geometrie so gewählt, dass ebenfalls in einer Richtung gesperrt und in der Gegenrichtung ausgekämmt wird, jedoch werden die Zahnhälse nach Errei¬ chen einer gewünschten Umfangskraft durch Überschreiten einer Grenzspannung ebenfalls ausgekämmt, so dass gleichzeitig die Wirkung einer Überlastkupplung entsteht. Die angesetzten Ringkonturen 204 und 205 sind gleichzeitig bei richtiger Werkstoffauswahl als Gleitlager ausgeführt. Die unterschiedlichen Durchmesser die¬ nen der einfacheren Montage.

Fig. 2 zeigt den Freilauf in einer Frontansicht mit der Markierung A, die eine Einzel¬ heit vergrößert in Fig. 3 beschreibt. Fig.4 zeigt eine Perspektive des Freilaufes.

Fig. 5 zeigt ein 60° Segment geschnitten aus einem erfindungsgemäßen Freilauf im eingeriegelten Zustand. Der Freilauf besteht aus einem Innenring 300, der eine Viel¬ zahl von Zähnen 301 trägt, welche einen Zahnbiegeträger 302 aufweisen, der als Träger gleicher Werkstoffspannung ausgeführt ist und eine entsprechend gekrümmte Kontur zeigt. Die Zähne 301 liegen mit ihren geraden Flanken 304 an den geraden Flanken der Anschläge 303 an. Der Zahnbiegeträger 302 ist in diesem Zustand durch das anliegende Lastmoment nicht belastet, sondern nur der Zahnfuß wird auf Schub beansprucht.

Fig. 6 zeigt einen Zahnring 400 mit Zähnen 401 und einen Zahnring 300 im entrie¬ gelten Zustand, mit den Zahnbiegeträgern 302 im elastisch verformten Zustand mit im wesentlichen konstanter Biegespannung, anliegend an den gerundeten Flan¬ ken 305 der Anschläge.

Die Flanken 304 sind zumindest im Wesentlichen eben, allenfalls mit einem sehr großen Krümmungsradius, ausgeführt, wohingegen die Flanken 305 einen deutlich stärkeren Krümmungsradius als den des Innenringes aufweisen. Wie aus Fig. 5 und 6 ersichtlich, verjüngt sich der Zahn 301 von seinem Fuß in Richtung auf sein freies Ende und kann wie in Fig. 5 und 6 dargestellt, im äußeren Endbereich im Durchmes¬ ser gleichbleibend oder sich vergrößernd ausgeführt sein.