Nagler, N.

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IMW - Institutsmitteilung Nr. 37 (2012) 9 Untersuchung des Einflusses axialer Belastungen auf das Schaltverhal-ten von Freiläufen – Erste Ergebnisse  Nagler, N.  Klemmkörper- und Klemmrollenfreiläufe werden als reibschlüssig wirkende Kupplungen eingesetzt, um die Wirkrichtung eines Torsi-onsmoments festzulegen. Freiläufe können weder radiale noch axiale Führungsaufgaben übernehmen. Aus der Praxis sind Schadensfälle bekannt, die auftreten, wenn axiale Belastungen nicht vom Freilauf ferngehalten werden können. Im Rahmen eines laufenden FVA-Projekts sollen der qualitative und quantitative Einfluss der Axialbelas-tung auf die Funktionserfüllung bzw. das Versagen von Freiläufen un-tersucht und Berechnungsgrundlagen erstellt werden, die eine Be-rücksichtigung der Axialbelastung schon bei der Auslegung ermögli-chen. An dieser Stelle werden erste experimentelle sowie simulative Ergebnisse vorgestellt. Sprag freewheels and roller freewheels are clutches based on the princi-ple of friction-locked power transmission. They are used in order to ascer-tain the affective direction of a torsional moment. Due to their design principle they are unable to execute guiding tasks in neither axial nor radial direction. Damages occurred in case axial loads could not be pre-vailed. Within the scope of an FVA-project quantitative and qualitative influences of the axial load on the proper functioning or failing of free-wheels are investigated respectively. Furthermore, a calculation basis will be developed that permits the consideration of axial loads already in the design stage of freewheels. In this article preliminary test rig as well as simulation results are presented. 1 Einleitung Freiläufe gehören zu den selbstständig schaltenden Kupplungen, wobei das Schalten abhängig von der relativen Drehrichtung der An- und der Abtriebsseite ist. Bei einem Freilauf sind die zwei Betriebszu-stände des Mitnahme- und des Leerlaufbetriebs möglich. Im Falle ei-ner rotativen Bewegung in eine Drehrichtung kann der Freilauf im 10 IMW - Institutsmitteilung Nr. 37 (2012) Mitnahmebetrieb ein Torsionsmoment vom Antrieb auf den Abtrieb übertragen, bei entgegen gerichteter Drehrichtung, im Leerlaufbe-trieb, wird kein Torsionsmoment vom Antrieb auf den Abtrieb über-tragen. Je nach der Art der Kraftübertragung werden Freiläufe in form- oder reibschlüssige Freiläufe unterteilt. Am bekanntesten ist der form-schlüssig wirkende Klinkenfreilauf, welcher in Ratschen oder der Hin-terradnabe von Fahrrädern eingesetzt wird. Im industriellen Umfeld haben sich jedoch aufgrund der größeren Leistungsdichte und Schaltgenauigkeit die reibschlüssigen Freiläufe durchgesetzt. Die wichtigsten Bauformen von reibschlüssigen Freiläufen sind der Klemmrollen- sowie der Klemmkörperfreilauf (s. Abbildung 1).  Abbildung 1: Klemmrollen- (links) und Klemmkörperfreilauf (rechts) nach /1/ 2 Probleme und Ziele Freiläufe mit Schaltfunktion, Schaltfreiläufe, werden in vielfältigen Anwendungen, wie z. B. im Antriebsstrang von Automobilen, ge-nutzt. Zu vermeidende Anregungen in axialer Richtung entstehen z. B. im Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, wo die Drehungleich-förmigkeit des Prozesses zur Schwingungsanregung einzelner Kom-ponenten führt. Dadurch werden beispielsweise Verzahnungen, Rie-mentriebe und Lagerungen im Umfang ihrer fertigungsbedingten Axialspiele zu Schwingungen angeregt. Hier auftretende Axialkräfte und –schwingungen, welche nicht durch geeignete Lagerungen oder andere Maßnahmen vermieden werden können, werden bei der Aus-legung von Freiläufen nach gültigen Berechnungsvorschriften bislang nicht berücksichtigt. In Folge der erhöhten Summenbeanspruchung des Reibkontakts führt dies zu Funktionsstörungen oder einem Funk-tionsverlust. IMW - Institutsmitteilung Nr. 37 (2012) 11 Die grundlegende, gültige Auslegungsvorschrift für den Reibschluss ist die Einhaltung des aus den in Abbildung 2 dargestellten Kräften in den jeweiligen Kontakten im Freilauf. Das daraus resultierende, zent-rale Funktionskriterium lautet  ntFF)(tan. 2.1 Dieses besagt, dass für eine einwandfreie Funktionserfüllung des Frei-laufs das Verhältnis aus Tangential- tF  und Radialkraft nF  immer kleiner als der Reibwert   sein muss. Der Einfluss axialer Belastungen findet hierin bislang keinerlei Berücksichtigung. Ziel des Projekts ist es daher, basierend auf theoretischen und experi-mentellen Untersuchungen, abgesicherte Berechnungsgrundlagen zur Auslegung zugleich tangential und axial belasteter Freiläufe zu entwickeln, sowie dem Anwender konstruktive Empfehlungen zur Gestaltung der Freilaufverbindung zu geben. Ferner sollen im Rah-men des Projekts  die Ursachen für den Funktionsverlust des Freilaufs bei Axial-belastung sowie  die wirkenden Versagensmechanismen bestimmt und  die Parameter ermittelt werden, die das Versagen bzw. den Funktionsverlust des Freilaufs begünstigen. Durch die dazu durchgeführten experimentellen und theoretischen Untersuchungen soll das Verständnis für die auftretenden Phänome-ne im „System Freilauf“ sowie dessen Reaktion auf Belastungsände-rungen gemehrt werden. 3 Ausgewählte theoretische Ergebnisse - Analytische Ermittlung der maximal ertragbaren Axialbelastung im Kontakt (Rutschgrenze) Die Verifizierung der experimentellen Ergebnisse des sta-tisch/statischen Lastfalls (Beaufschlagung des Freilaufs mit einem sta-tische Torsionsmoment und einer statischen Axiallast), erfolgt durch das Aufstellen des Kräftegleichgewichts am jeweiligen Freilaufkontakt (s. a. Abbildung 2) und unter Berücksichtigung des zentralen Funkti-onskriteriums aus Gleichung 2.1. Ziel ist es, die maximal ertragbaren Axialkräfte zu berechnen bis zu deren Erreichen noch ein Reibschluss vorliegt und die Funktionserfüllung des Freilaufs gesichert ist. 12 IMW - Institutsmitteilung Nr. 37 (2012)  Abbildung 2: Auftretende Größen im Freilaufkontakt (In-dex i: Bezug Innenstern; Index a: Bezug Außenring) Unter Berücksichtigung eines Axialkraftanteils ergeben Gleichung 3.1 und Gleichung 3.2 naxt FFF  22  3.1 nax FRTF    1)²tan(²²². 3.2 Die hier vorgestellten Ergebnisse beziehen sich auf einen Freilauf mit mit mmR 28 , einem angenommenen Reibkoeffizienten   zwi-schen 1,0  und 12,0  für einen Stahl/Stahl Kontakt. Mit einem Klemmwinkel   als Funktion des Torsionsmoments T  ergibt sich somit die maximal ertragbare Axialkraft ohne Aufhebung des Reib-schlusses nach Abbildung 3. Diese Ergebnisse werden später denen der Versuche als Referenz gegenübergestellt. IMW - Institutsmitteilung Nr. 37 (2012) 13  Abbildung 3: Maximal ertragbare Axialkraft als Funktion des Tor-sionsmoments  4 Experimentelle Untersuchungen 4.1 Freilaufschaltprüfstand Im Rahmen des Projekts werden experimentelle Untersuchungen an Schaltprüfständen durchgeführt. Einen verwendeten Schaltprüfstand und dessen wichtigste Komponenten zeigt Abbildung 4. Bei diesem Prüfstand wird der Freilaufinnenstern (IS) durch einen Ser-voantrieb mit statischen oder oszillierenden Belastungen beauf-schlagt, der Freilaufaußenring (AU) kann über einen Riementrieb durch den zweiten Servoantrieb belastet werden. Die statische oder dynamische Axialbelastung des Innensterns erfolgt über ein Axial-kraftmodul in Form von Pneumatikmuskeln. Die erforderliche Ent-kopplung der rotativen Bewegung durch die Servoantriebe und der translatorischen Bewegung durch das Axialkraftmodul erfolgt durch die zwischen dem Freilaufträger (grün) und dem Axialkraftmodul be-findliche Glocke. Gemessen werden das Torsionsmoment in Freilauf-nähe mittels DMS, die von den Pneumatikmuskeln erzeugte Axial-kraft, die Verdrehwinkel am Innenstern und am Außenring sowie die axialen Wegverschiebungen durch Wegsensoren an der sich mitbe-wegenden Scheibe, die als Messreferenz genutzt wird. Eckdaten des Freilaufschaltpüfstands: RutschenKein Rutschen 14 IMW - Institutsmitteilung Nr. 37 (2012)  Torsionsmoment: maximal. 26 Nm  Maximale Schaltfrequenz: 30 Hz (AC Servoantrieb IS)  Maximale Axialkraft: 3 kN (Pneumatikmuskeln)  Maximale Axialfrequenz: 30 Hz (Pneumatikmuskeln)  Abbildung 4: Freilaufschaltprüfstand  4.2 Messergebnisse und Gegenüberstellung mit theore-tischen Ergebnissen Abbildung 5 und Abbildung 6 zeigen Messergebnisse am oben vor-gestellten Freilaufprüfstand. Dabei wird der Prüfling zunächst mit ei-nem statischen Torsionsmoment beaufschlagt und zum Klemmen gebracht. Anschließend erfolgt bei konstant gehaltenem Torsions-moment eine zusätzliche Belastung des geklemmten Freilaufs durch eine kontinuierlich gesteigerte Axialkraft (Dreiecke) bis zum Auftreten von Ausfallerscheinungen wie unvollständigem Torsionsmomenten-aufbau oder erstem Rutschen (Quadrate). Zusätzlich zu den Messer-gebnissen sind in Abbildung 5 die oben vorgestellten Theorieergeb-nisse (s. Abbildung 3) in Form der durchgzogenen bzw. gestrichelten Kurven für einen angenommenen Reibkoeffizienten   zwischen 1,0  und 12,0  hinterlegt. IMW - Institutsmitteilung Nr. 37 (2012) 15  Abbildung 5: Zusammenfassung der Messergebnisse Bis auf wenige Ausnahmen im Bereich geringer Torsionsmomente bzw. Pressungen ist eine klare Trennung zwischen erstem Rutschen (Quadrate) und nicht Rutschen (Dreiecke) erkennbar. Weiterhin be-steht eine sehr gute Korrelation der Versuchsergebnisse mit denen der Theorie für den Fall μ = 0,12. Dies spiegelt sich auch bei der Gegen-überstellung des aus den Messwerten berechneten Reibkoeffizienten beim ersten Rutschen mit denen der Theorie wieder (s. Abbildung 6). Abgesehen von Streuungen im Bereich geringer Torsionsmomente wird die Erwartung bestätigt, dass keine Abhängigkeit des übertrag-baren Torsionsmoments bzw. der Pressung vom Reibkoeffizienten vorliegt. Die Ergebnisse bestätigen ferner, dass der für diesen Anwen-dungsfall entwickelte Freilaufprüfstand sehr gut zur Untersuchung von Freiläufen geeignet ist, v. a. vor dem Hintergrund weiterer, im Rahmen des Projekts zu betrachtender, Lastfälle (statisches Torsions-moment und dynamische Axiallast; dynamisches Torsionsmoment und dynamische Axiallast).  16 IMW - Institutsmitteilung Nr. 37 (2012)  Abbildung 6: Vergleich der aus Messergebnissen berechneten und theoretischen Reibkoeffizienten 5 Zusammenfassung Im Rahmen dieses Artikels wurde auf die dem FVA-Projekt zugrunde liegende Problematik eingegangen sowie erste ausgewählte Ergebnis-se aus den Bereichen der experimentellen und theoretischen Untersu-chungen zunächst vor- und später gegenüber gestellt. Die bislang vorliegenden, hier auszugsweise vorgestellten Ergebnisse zeigen eine sehr gute Korrelation zwischen den theoretischen und experimentel-len Untersuchungen. 6 Danksagung Die Autorin bedankt sich bei der Forschungsvereinigung Antriebs-technik e.V. (FVA) und ihren Mitgliedern für die inhaltliche Betreuung sowie bei der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereini-gungen „Otto von Guericke“ e.V. (AiF) für die finanzielle Unterstüt-zung des Projekts „Axiale Belastbarkeit von Freiläufen“. 7 Literatur /1/ Produktkatalog „Freiläufe“ der Ringspann GmbH, Bad Hom-burg /2/ Stölzle, K.; Hart, S.: Freilaufkupplungen – Berechnung und Konstruktion; 1. Auflage; Springer-Verlag; Heidelberg; 1961 

Untersuchung des Einflusses axialer Belastungen auf das Schaltverhalten von Freiläufen - erste Ergebnisse

IMW - Institutsmitteilung Nr. 36 (2011) 29 Untersuchung des Einflusses axialer Belastungen auf das Schaltverhalten von Freiläufen  Nagler, N.  Klemmkörper- und Klemmrollenfreiläufe wer-den als reibschlüssig wirkende Kupplungen eingesetzt, um die Wirkrichtung eines Torsi-onsmoments festzulegen. Bedingt durch das reibschlüssige Konstruk-tionsprinzip können Freiläufe weder radiale noch axiale Führungsauf-gaben übernehmen. In der Praxis bekannte Schadensfälle treten im-mer dann auf, wenn axiale Belastungen nicht ferngehalten werden können. Im Rahmen eines FVA-Projekts sollen der qualitative und quantitative Einfluss der Axialbelastung auf die Funktionserfüllung bzw. das Versagen von Freiläufen untersucht und Berechnungsrund-lagen erstellt werden, die eine Berücksichtigung der Axialbelastung schon bei der Auslegung ermöglichen.  Sprag freewheels and roller freewheels are clutches based on the princi-ple of friction-locked power transmission. They are used in order to ascer-tain the affective direction of a torsional moment. Due to the friction-locked design principle they are unable to execute guiding tasks in nei-ther axial nor radial direction. Therefore damages occur in case axial loads cannot be prevailed. Within the scope of an FVA-project quantita-tive and qualitative influences of the axial load on the proper function-ing or failing of freewheels are investigated respectively. Furthermore, a calculation basis will be developed that permits the consideration of axi-al loads already in the design stage of freewheels. 1 Einleitung Freiläufe gehören zu den selbstständig schaltenden Kupplungen, wobei das Schalten abhängig von der relativen Drehrichtung der An- und der Abtriebsseite zueinander ist. Prinzipiell sind bei einem Freilauf die zwei Betriebszustände des Mitnahme- und des Leerlaufbetriebs möglich. Bei einer rotativen Bewegung in eine Drehrichtung kann der Freilauf im Mitnahmebetrieb ein Torsionsmoment vom Antrieb auf den Abtrieb übertragen, bei entgegen gerichteter Drehrichtung, im Leerlaufbetrieb, rutscht der Freilauf durch, ohne ein Torsionsmoment vom Antrieb auf den Abtrieb zu übertragen. 30 IMW - Institutsmitteilung Nr. 36 (2011) Je nach der Art der Kraftübertragung werden Freiläufe in form- oder reibschlüssige Freiläufe unterteilt. Am bekanntesten ist der form-schlüssig wirkende Klinkenfreilauf, welcher in Ratschen oder der Hin-terradnabe von Fahrrädern eingesetzt wird. Im industriellen Umfeld haben sich jedoch aufgrund der größeren Leistungsdichte und Schaltgenauigkeit die reibschlüssigen Freiläufe durchgesetzt. Die wichtigsten Bauformen von reibschlüssigen Freiläufen sind der Klemmrollen- sowie der Klemmkörperfreilauf (s. Abbildung 1). Beim Klemmkörperfreilauf resultieren der Mitnahme- und der Leer-laufbetrieb aus der Geometrie der Klemmelemente. Der Mitnahmebe-trieb bzw. das Schalten werden dadurch erreicht, dass sich bei einer Verdrehung des Innenrings nach rechts und gleichzeitigem Fixieren des Außenrings die Klemmkörper aufstellen und reibschlüssig im (Klemm-) Spalt verkeilen. Eine Verdrehung des Innenrings nach links aus dem Zustand des Mitnahmebetriebs heraus führt zum Aufheben des Sperrens der Klemmkörper und somit zum Leerlaufbetrieb. Der Leerlaufbetrieb wird nicht nur beim Stillstand eines der Ringe erzielt, sondern auch, wenn der Antrieb zurückbleibt oder der Abtrieb vo-rauseilt. Beim Klemmrollenfreilauf resultiert der Mitnahme- bzw. Leerlaufbe-trieb nicht aus der Geometrie der Klemmrollen sondern der der Ringe, insbesondere der des Innensterns. Wird z. B. der Innenstern bei fixier-tem Außenring nach rechts gedreht oder der Außenring nach links bei fixiertem Innenstern, verengt sich der den Rollen zur Verfügung stehende Klemmspalt, ein Reibschluss wird erzeugt und somit der Mitnahmebetrieb ermöglicht.  Abbildung 1: Klemmrollen- (links) und Klemmkörperfreilauf (rechts) nach /1/ IMW - Institutsmitteilung Nr. 36 (2011) 31 2 Probleme und Ziele Freiläufe mit Schaltfunktion, Schaltfreiläufe, werden in vielfältigen Anwendungen, wie z. B. im Antriebsstrang von Automobilen, ge-nutzt. Zu vermeidende Anregungen in axialer Richtung entstehen z. B. in Strömungsprozessen, wenn axiale Kräfte in ein Torsionsmo-ment gewandelt werden oder in Antriebssträngen mit Verbren-nungsmotor, wo die Drehungleichförmigkeit des Prozesses zur Schwingungsanregung einzelner Komponenten führt. Dadurch wer-den beispielsweise Verzahnungen, Riementriebe und Lagerungen im Umfang ihrer fertigungsbedingten Axialspiele zu Schwingungen an-geregt. Wenn das Auftreten von Axialkräften und Axialschwingungen in Freiläufen nicht durch geeignete Lagerungen oder andere Maß-nahmen vermieden werden kann, so ist dies problematisch, da diese Axialbelastungen bei der Auslegung von Freiläufen nach gültigen Be-rechnungsvorschriften bislang nicht berücksichtigt werden und dies in Folge der erhöhten Summenbeanspruchung des Reibkontakts zu Funktionsstörungen oder einem Funktionsverlust führt. Die grundlegende, gültige Auslegungsvorschrift für den Reibschluss ist die Einhaltung des aus den in Abbildung 2 dargestellten Kräftever-hältnissen im Freilauf resultierenden zentralen Funktionskriteriums.  Abbildung 2: Kräfteverhältnisse im Klemmrollenfreilauf 32 IMW - Institutsmitteilung Nr. 36 (2011) Dieses lautet μα ≤=ntFF)(tan  2.1 und besagt, dass für eine einwandfreie Funktionserfüllung des Frei-laufs das Verhältnis aus Tangential- tF  und Radialkraft nF  immer kleiner als der Reibwert μ  sein muss. Der Einfluss axialer Belastungen findet hierin bislang keinerlei Berücksichtigung. Ziel des Projekts ist es daher, basierend auf theoretischen und experi-mentellen Untersuchungen, abgesicherte Berechnungsgrundlagen zur Auslegung zugleich tangential und axial belasteter Freiläufe zu entwickeln, sowie dem Anwender konstruktive Empfehlungen zur Gestaltung der Freilaufverbindung zu geben. Ferner sollen im Rah-men des Projekts  die Ursachen für den Funktionsverlust des Freilaufs bei Axial-belastung sowie  die wirkenden Versagensmechanismen bestimmt und  die Parameter ermittelt werden, die das Versagen bzw. den Funktionsverlust des Freilaufs begünstigen Schließlich soll durch die experimentellen und theoretischen Untersu-chungen zudem das Verständnis für die auftretenden Phänomene im „System Freilauf“ sowie dessen Reaktion auf Belastungsänderungen gemehrt werden 3 Lösungsweg Um die in Kapitel 2 benannten Ziele zu erreichen, werden sowohl theoretische als auch experimentelle Untersuchungen durchgeführt. Dazu werden jeweils die in Tabelle 1 dargestellten Fälle untersucht. Tabelle 1: Zu betrachtende Fälle Statisches Torsionsmoment Dynamisches Torsionsmoment 1 / Statische Axiallast 2 3 & 4 Dynamische Axiallast  IMW - Institutsmitteilung Nr. 36 (2011) 33  3.1 Theoretische Untersuchungen Im Rahmen der theoretischen Untersuchungen sollen, entsprechend den in Kapitel 2 benannten Zielen und zu untersuchenden Fällen, Be-rechnungsgrundlagen für die Auslegung zusätzlich axial belasteter Freiläufe entwickelt werden. Dazu werden FEM-Simulationen durch-geführt und ein parametrierbares Mehrkörpersimulationsmodell (MKS-Modell) der zu untersuchenden Freiläufe erstellt. Mit diesem werden Simulationen durchgeführt, deren Ergebnisse den Grund-stock für die Ableitung der zu entwickelnden Berechnungsgrundla-gen bilden, wobei die Ergebnisse Plausibilitätsprüfungen sowie Ver-gleichen mit den Ergebnissen experimenteller Untersuchungen un-terzogen werden. 3.2 Experimentelle Untersuchungen Im Rahmen des Projekts werden experimentelle Untersuchungen, entsprechend den vier Fällen aus Tabelle 1, an Schaltprüfständen durchgeführt. Einen verfügbaren Schaltprüfstand und dessen wichtigsten Kompo-nenten zeigt Abbildung 3.   34 IMW - Institutsmitteilung Nr. 36 (2011) Abbildung 3: Freilaufschaltprüfstand Bei diesem Prüfstand wird der Freilaufinnenstern (IS) durch einen Ser-voantrieb mit integriertem Planetengetriebe durch statische oder os-zillierende Belastungen beaufschlagt, der Freilaufaußenring (AU) kann über einen Riementrieb durch den zweiten Servoantrieb belastet werden. Die statische oder dynamische Axialbelastung des In-nensterns erfolgt über ein Axialkraftmodul in Form von Pneumatik-muskeln. Die erforderliche Entkopplung der rotativen Bewegung durch die Servoantriebe und der translatorischen Bewegung durch das Axialkraftmodul erfolgt durch die zwischen dem Freilaufträger (grün) und dem Axialkraftmodul befindliche Glocke. Gemessen wer-den das Torsionsmoment in Freilaufnähe mittels DMS, die von den Pneumatikmuskeln erzeugte Axialkraft, die Verdrehwinkel am In-nenstern und am Außenring sowie die axialen Wegverschiebungen, die auch am Innenstern auftreten, durch zwei Wegsensoren an der sich mitbewegenden (gelben) Scheibe, die als Messreferenz genutzt wird. Eckdaten des kleinen Prüfstands:  Torsionsmoment: max. 26 Nm  Max. Schaltfrequenz: 30 Hz (AC Servoantrieb IS)  Max. Axialkraft: 3 kN (Pneumatikmuskeln)  Max. Axialfrequenz: 30 Hz (Pneumatikmuskeln) 4 Zusammenfassung Die axiale Belastung von Freiläufen ist nicht immer vermeidbar und kann zum verfrühten Verlust der Funktionserfüllung oder Ausfall des Freilaufs führen. In den geltenden und durch die Freilaufanwender genutzten Berechnungsvorschriften konnte diese, zusätzlich zur nor-malen Tangentialbelastung, auftretende Axialbelastung bislang bei der Auslegung der Freiläufe nicht berücksichtigt werden. Im Rahmen des Projekts soll dieser Mangel durch die Entwicklung adäquater Be-rechnungsgrundlagen, basierend auf theoretischen und experimen-tellen Untersuchungen, behoben werden. 5 Literatur /1/ Produktkatalog „Freiläufe“ der Ringspann GmbH, Bad Hom-burg /2/ Stölzle, K.; Hart, S.: Freilaufkupplungen – Berechnung und Konstruktion; 1. Auflage; Springer-Verlag; Heidelberg; 1961 

Untersuchung des Einflusses axialer Belastungen auf das Schaltverhalten von Freiläufen - erste Ergebnisse

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