Improved design criterion for frictionally engaged contacts in overrunning clutches

Nagler, Nadine GND; Lohrengel, Armin GND

Overrunning clutches, also known as freewheel clutches, are frictionally engaged, directional clutches; they transmit torque depending on the Freewheel clutch rings’ rotation directions. The torque causes a tangential force in the Hertzian contact area. The hitherto “state-of-the-art design criterion” bases on this load situation. In practice, axial loads additionally act on the frictionally engaged Hertzian contact area. This additional axial load can cause the loss of the friction connection and so the freewheel clutch slips. This publication presents an improved design criterion for frictionally engaged contacts in freewheel clutches. It allows to consider tangential as well as axial loads during the design process. Additionally, it offers the possibility to estimate the probability of frictional engagement loss and gross slip based on the freewheel clutch’s application scenario. This publication points out how to use the improved design criterion to design freewheel clutches that are more robust against a loss of function.

Freilaufkupplungen sind reibschlüssig und richtungsabhängig wirkende Kupplungen. Sie übertragen Torsionsmomente abhängig von den Rotationsrichtungen der Antriebs- und Abtriebsseite zueinander. Das Torsionsmoment verursacht mit dem entsprechenden Hebelarm eine Tangentialkraft im Bereich der Hertz’schen Kontaktfläche. Für dieses Lastszenario existiert eine Auslegungsvorschrift. In der Praxis treten im Hertz’schen Kontaktbereich zusätzlich Axialkräfte auf. Bei sonst unveränderten Beanspruchungsrandbedingungen können diese zusätzlichen Axialkräfte zum Verlust des Reibschlusses und damit zum Funktionsverlust der Freilaufkupplung führen. Diese Veröffentlichung stellt eine verbesserte Auslegungsvorschrift für reibschlüssig wirkende Freilaufkupplungen vor. Die erweiterte Auslegungsvorschrift gestattet die Berücksichtigung der kombinierten Beanspruchung aus Axial- und Radialkräften im Hertz’schen Kontaktbereich bei der Auslegung von Freilaufkupplungen. Sie ermöglicht die Abschätzung der Wahrscheinlichkeit eines Funktionsverlusts durch die Aufhebung des Reibschlusses in den Hertz’schen Kontakten. Diese Veröffentlichung demonstriert, wie die Nutzung der erweiterten Auslegungsvorschrift zur Gestaltung funktionssichererer Freilaufkupplungen beiträgt.

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Nagler, Nadine / Lohrengel, Armin: Improved design criterion for frictionally engaged contacts in overrunning clutches. 2021.

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