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Freilauf (Mechanik)


Der Freilauf (auch Überholkupplung) ist eine nur in einer Drehrichtung wirkende Kupplung.

Funktion

Bei Drehrichtungsumkehr oder wenn die Drehzahl des eigentlich anzutreibenden Teils größer als die des treibenden Teils ist, wird die Verbindung selbsttätig gelöst. Beispiel ist der Freilauf in der Nabe eines Fahrrads. Das Hinterrad läuft frei weiter, wenn der Pedalantrieb langsamer betätigt (das Hinterrad überholt den Antrieb) oder angehalten wird.

Ausführungen

Freiläufe können mit folgenden Bauelementen ausgerüstet sein:

  • Klemmrollen
  • Klemmkörper
  • Sperrklinken
  • Klauenringe
  • Schlingfeder

Sperrklinkenfreiläufe klickern im Freilaufbetrieb, während die übrigen Freiläufe geräuschlos arbeiten.

An dem von Nicholas Cugnot bereits 1769 entwickelten Dampfwagen wurde das lenkbare Vorderrad über einen Freilaufmechanismus von den beiden Dampfzylindern angetrieben.[1]

Klemmrollen-Freilauf

In der Zeichnung ist ein Freilauf mit Klemmrollen dargestellt. Der innere Pfeil zeigt die Drehrichtung des Antriebs an. Die Federn drücken die Klemmrollen leicht zwischen das mit den Klemmrollen zusammen rotierende Innenteil (im Fachjargon „Stern“ genannt) und den Außenring. Bei Drehmomentübertragung entstehen radiale Kräfte, so dass sich die Klemmrollen in ihren Aufnahmeräumen verkeilen. Durch passende Auswahl des Anstell- oder Klemmwinkels des sich ausbildenden Klemmkeiles ist die Ausführung auch bei bester Schmierung – physikalisch bedingt – absolut rutschsicher, es herrscht der Zustand der Selbsthemmung. Der Verjüngungswinkel muss dazu so gewählt werden, dass er kleinergleich dem Arcustangens der Gleitreibungszahl µ ist.

Wird der Verjüngungs- oder Klemmwinkel größer als arctan(µ) gewählt, rutscht der Freilauf und ist unzuverlässig.

Kehrt man die Drehrichtung um oder ist die äußere Drehzahl größer als die innere Drehzahl, rollen die Klemmrollen in Richtung der Feder, die Klemmung wird somit aufgehoben.

Unter der Bezeichnung Nadellagerfreilauf oder Hülsenfreilauf sind typisierte Klemmrollenfreiläufe im Handel.[2]

Klemmkörper-Freilauf

Bei der Verwendung unrunder Klemmkörper[3] anstelle von Klemmrollen heißt das Innenteil des Freilaufs nicht mehr Stern, sondern ist lediglich ein zylindrischer Ring – Innenring genannt. Das Klemmen entsteht durch geringes Verdrehen der Klemmkörper. Keilräume zwischen den Klemmkörpern fehlen. Somit ist die Zahl der Klemmkörper höher als die der Klemmrollen, was die Auflagefläche vergrößert. Damit können höhere Drehmomente übertragen oder der Wellendurchmesser verkleinert (vgl. Downsizing) werden. Oft haben diese Klemmkörperfreiläufe auch gleichzeitig ein Kugelrollenlager im selben Gehäuse untergebracht.

Bei Klemmkörperfreiläufen gibt es verschiedene konstruktive Ausführungen, um die Lebensdauer zu erhöhen. Durch die optionale Verwendung einer Klemmstückabhebung ist diese Kupplung im Freilaufbetrieb bei schnell drehendem Innenring verschleißfrei. Weitere konstruktive Ausführungen zur Erhöhung der Lebensdauer sind z. B. Klemmstückabhebung bei schnell drehendem Außenring, Klemmstückbeschichtungen, polygonal geschliffene Freilaufaußenringe oder Ausführungen mit hydrodynamischer Klemmstückabhebung.

Schlingfederkupplung

Die Schlingfederkupplung besteht aus einer auf eine Welle oder einen zylindrischen Körper gewickelten Schraubenfeder, die einseitig am Antrieb befestigt ist. Der Mitnahmeeffekt beruht darauf, dass die Reibungskräfte zwischen den Federwindungen und der Welle die Feder „zusammenzuwickeln“ versuchen, das Wirkprinzip beruht auf Seilreibung. Das Mitnahmemoment wird selbsttätig verstärkt. In Gegendrehrichtung vergrößert das geringe Grundreibmoment eher den Federdurchmesser (kann die Feder aber nicht abwickeln). Manchmal wird die Schlingfederkupplung in der eigentlichen Freilauf-Drehrichtung als Rutschkupplung verwendet zum Beispiel in Druckern oder Tonbandgeräten.

Selbstsynchronisierende Schaltkupplung

Eine selbstsynchronisierende Schaltkupplung ist ein Freilauf, bei dem die Drehmomentübertragung über eine Zahnkupplung erfolgt. Im Überholbetrieb ist letztere ausgekuppelt. Das Einkuppeln erfolgt mit Hilfe eines parallel eingebauten Sperrklinkenfreilaufes und ist selbstsynchronisierend. Während des Einkuppelns wird noch kein Drehmoment übertragen, danach ist ausschließlich die Zahnkupplung drehmomentbelastet. Diese Bauart eignet sich zur Übertragung von hohen Leistungen bis in den Megawattbereich weil die Sperrklinken des Hilfsfreilaufs nur durch den Schaltvorgang belastet sind.

Typische Anwendungen

  • Verbrennungsmotoren:
  • Fahrzeuge:
    • Schaltbare Freilaufnaben werden teilweise bei Fahrzeugen mit zuschaltbarem Allradantrieb verwendet,
    • in Getrieben größerer Automobile mit Zweitaktmotor, DKW, Wartburg, Trabant, Saab 92-96, um bei Schubbetrieb einen prinzipbedingt möglichen Motorschaden durch Schmierungsmangel zu vermeiden.
    • Landmaschinen (Ladewagen, Dungstreuer, Kompostierungsanlagen, Rundballenpressen)
    • Fahrrad, z.B. als Torpedo-Freilaufnabe, um ein dauerhaftes Mitdrehen der Fahrradkurbel zu vermeiden

Literatur

  • Herbert Wittel, Dieter Muhs, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek: Roloff/Matek Maschinenelemente: Normung, Berechnung, Gestaltung – Lehrbuch und Tabellenbuch. 19. Auflage. Vieweg+Teubner Verlag, 2009, ISBN 978-3-8348-0689-5, S. 449–450.
  • Freiherr H. von Thüngen: Der Freilauf. Sonderkonstruktion und Anwendungsbeispiele im Kraftfahrzeug. In: Automobiltechnische Zeitschrift 59 (1957), Nr. 1, S. 1ff,

Einzelnachweise

  1. Gisbert Lechner, Bernd Bertsche, Harald Naunheimer: Fahrzeuggetriebe: Grundlagen, Auswahl, Auslegung und Konstruktion. Springer Science+Business Media, 1994, ISBN 3540574239, Seite 8
  2. Hülsenfreiläufe (Handelsprodukt-Beschreibung)
  3. Klemmkörper-Freiläufe (Handelsprodukt-Beschreibung) [1]

Kategorien: Antriebstechnik | Maschinenelement | Kupplung

Quelle: Wikipedia - http://de.wikipedia.org/wiki/Freilauf (Mechanik) (Vollständige Liste der Autoren des Textes [Versionsgeschichte])    Lizenz: CC-by-sa-3.0

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