Freilauf (Mechanik)

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Sperrklinken-Freilauf: Die Drehübertragung auf den äußeren Ring findet statt, wenn sich der treibende innere Teil im Uhrzeigersinn dreht.

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

Funktion[Bearbeiten]

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 des Fahrrads. Das Hinterrad läuft frei weiter, wenn der Pedalantrieb langsamer betätigt (das Hinterrad überholt den Antrieb) oder angehalten wird.

Ausführungen[Bearbeiten]

Freiläufe können mit folgenden Bauelementen ausgerüstet sein:

  • Klemmrollen
  • Klemmkörper
  • Sperrklinken
  • Klauenringe
  • mit einer Schlingfeder

Sperrklinkenfreiläufe klickern im Freilaufbetrieb, während die übrigen Freiläufe völlig 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[Bearbeiten]

Querschnittszeichnung eines Freilaufes mit zylindrischen Klemmrollen. Die Pfeilrichtung ist die Sperrrichtung, wobei der innere Pfeil das treibende Drehmoment, der äußere das getriebene Drehmoment darstellt.

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[Bearbeiten]

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Freilauf (engl. CamClutch) mit einer Vielzahl von unrunden Klemmkörpern

Bei der Verwendung unrunder Klemmkörper 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[Bearbeiten]

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 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.

Typische Anwendungen[Bearbeiten]

  • 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[Bearbeiten]

  •  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[Bearbeiten]

  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]