Freilauf (Mechanik)

Sperrklinken-Freilauf

Der Freilauf (auch Überholkupplung) ist eine Vorrichtung, die einen Teil eines Antriebstranges von der Drehbewegung entkoppelt (Schubabschaltung), wenn sich die Lastverhältnisse ändern.

Freiläufe können auf folgende Weise realisiert werden:

• mit Klemmrollen
• mit Klemmkörpern
• mit Sperrklinke(n)
• mit Zahnscheibe(n)
• mit einer Schlingfeder

Sperrklinken klickern im Freilaufbetrieb, während die übrigen Freiläufe völlig geräuschlos arbeiten.

Populäres Beispiel ist das Fahrrad. Hier befindet sich der Freilauf in der Hinterradnabe. Die Pedale und die Kette werden von der Drehbewegung des Rades entkoppelt, sobald der Radfahrer mit dem Treten aufhört bzw. langsamer tritt, als es zum Halten der momentanen Geschwindigkeit notwendig wäre. Freiläufe können mit der Rücktrittbremse eine geschlossene Einheit bilden; diese Bauart ist vor allem in Deutschland üblich (Torpedo-Freilaufnabe).

An dem von Nicholas Cugnot bereits 1769 entwickelten Dampfwagen wurde das Vorderrad über ein Freilaufgetriebe von den Kolbenstangen der beiden Dampfzylinder gedreht^[1].

Funktion

Klemmrollen-Freilauf

Querschnittzeichnnung eines Freilaufes mit zylindrischen Klemmrollen. Die Pfeilrichtung ist die Sperrrichtung, wobei der innere Pfeil das treibene 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 dem Außenring, so dass sich die Klemmrollen abhängig von deren Drehung in ihren Aufnahmeräumen verkeilen. Weil sich die Aufnahmeräume der Klemmkörper von den Federn weg verjüngen, ist das übertragene Drehmoment größer, je weiter der Stern gegenüber dem Außenring verdreht wird. 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.

Klemmkörper-Freilauf

Freilauf mit Klemmkörpern, engl. CamClutch

Bei der Verwendung von Klemmkörpern anstelle von Klemmrollen heißt das Innenteil des Freilaufs nicht mehr Stern, sondern ist lediglich ein zylindrischer Ring - Innenring genannt. Vorteil der Verwendung von Klemmkörpern ist die geringe Massenträgheit der Klemmkörper bei gleichzeitiger Vergrößerung der Auflagefläche. Damit können bei wesentlich geringeren Reaktionszeiten höhere Drehmomente aufgefangen werden. Oft haben diese Klemmkörperfreiläufe auch gleichzeitig ein Kugelrollenlager im selben Gehäuse untergebracht. Für die Dimensionierung in Konstruktion einer Freilaufeanwendung bedeutet die Wahl eines Klemmkörperfreilaufes oft, dass eine kleinere Baugruppe verwendet werden kann (vgl. Downsizing). Der wesentliche Effekt ist dabei, dass nun auch kleinere Wellendurchmesser realisiert werden können, was zu erheblichen Einspareffekten führt.

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 sich das Mitnahmemoment mit jeder Windung aufgrund der Reibung verstärkt und summiert. Dadurch vergrößert sich aufgrund der Umschlingung zugleich die diese Reibung verursachende Kraft. In Gegenrichtung tritt nur eine geringe Reibung auf - die Feder vergrößert etwas ihren Durchmesser, wickelt sich jedoch nicht ab.

Schlingfederkupplungen werden zum Beispiel in Apparaten, Druckern oder Tonbandgeräten eingesetzt. Oft nutzt man ihre im Freilaufbetrieb verbleibende Reibung als Rutschkupplung.

Starrer Gang (Starrlauf)

Im Gegensatz zum Freilauf sind beim starren Gang bzw. „Starrlauf“ beim Fahrrad die Pedale immer mit dem Hinterrad verbunden. In den Anfängen des Radfahrens besaßen mit Starrlauf ausgerüstete Gebrauchsräder meist Fußrasten an der Gabel, auf denen der Radfahrer bei Bergabfahrt seine Füße abstellen konnte. Gebremst wurde das Fahrrad durch Gegenhalten beim Treten.

Der starre Gang besitzt heute nur noch eine Bedeutung bei Fahrrädern für Bahnrennen, aus trainingsmethodischen Gründen auch auf der Straße, im Kunstradsport, als Trendbike (Fixie), Radball und in der Akrobatik.

Bei Kraftfahrzeugen ist dagegen der starre Gang vorherrschend; Ausnahmen sind einige Fahrzeuge mit Zweitaktmotor, zum Beispiel der Wartburg 353, der in allen Gängen einen Freilauf besitzt.

Anwendungsarten

Freiläufe werden in der Konstruktion von Maschinen zum Zweck von

1. Überholschutz
2. Rücklaufsperre
3. Inkrementierung

eingesetzt.

Typische Anwendungen

• Drehkreuz im Supermarkt
• bei einfachen Drehtüren
• Anlasser von Verbrennungsmotoren.
• 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.
• in Duktorantrieben von Offset-Druckmaschinen
• Papiereinzug von Kopiergeräten
• als Rücklaufsperre in Förderanlagen und Winden
• Drehzahlausgleich in Transportanlagen
• Sicherheitskupplung in Mischern
• Aufzieheinrichtung von Hochspannungsschaltern
• Schaltelement in Textilmaschinen
• Überholkupplung in Verpackungsmaschinen
• in der Anwerferkurbel von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren
• im Modellbau
• Landmaschinen: (Ladewagen, Dungstreuer, Kompostierungsanlagen, Rundballenpressen)
• Nähmaschinen
• mathematische Rechenmaschinen
• Hubschrauber (z.B. im Falle eines Triebwerkausfalls zur abrupten Trennung von Triebwerk und Rotor)
• am Fahrrad, damit sich die Kurbel nicht dauerhaft mitdreht
• in der Angelrolle als Rücklaufsperre.

Einzelnachweise

1. ↑ Gisbert Lechner, Bernd Bertsche, Harald Naunheimer; Fahrzeuggetriebe: Grundlagen, Auswahl, Auslegung und Konstruktion; Springer-Verlag, 1994, ISBN 3540574239, Seite 8

LIteratur

• Herbert Wittel, Dieter Muhs, Dieter Jannasch, Joachim Voßiek: Roloff/Matek Maschinenelemente: Normung, Berechnung, Gestaltung - Lehrbuch und Tabellenbuch. 19. Auflage. Vieweg+Teubner, 2009, ISBN 978-3-8348-0689-5, S. 449–450.