Reibungskupplung. Gegenstand vorliegender Erfindung ist eine Reibungskupplung, die ein treibendes und ein getriebenes Glied aufweist, von wel chen Gliedern das eine eine gebogene, innere Stützfläche hat, während das andere mit einem biegsamen Reibungselement verbunden ist, das radial in.
Umfangseingriff mit der erwähnten gebogenen Stützfläche gedrückt werden kann, Die Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass das genannte Reibungs element derart mit dem treibenden Glied verbunden ist, dass @es gezogen und dabei ge spannt wird, und dass das Produkt aus dem minimalen Reibungskoeffizienten und dem Deckungswinkel des Reibungselementes so gross ist, dass das übertragene Drehmoment von den Schwankungen des Reibungskoeffi zienten praktisch unabhängig ist..
In der Zeichnung sind einige Ausfüh rungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt. Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch eine erste Ausführungsform mit einem einzigen Reibungselement, dass in unwirksamer Stel lung ist; Fig. 2 ist ein ähnlicher Schnitt, der die Stellung des Reibungselementes bei wirk samer Kupplung zeigt; Fig. 3 ist ein Schnitt nach der Linie 3-3 der Fig. 2; Fig. 4 ist ein Vertikalschnitt durch eine andere Ausführungsform der Kupplung, die in beiden Richtungen zu wirken vermag und zwei Reibungselemente anstatt des einen der Fig. 1 bis 3 hat;
Fig. 5 ist ein Schnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 4; Fig. 6 ist ein Vertikalschnitt einer an dern Ausführungsform, die die Verwendung radial wirkender Federn anstatt von Gewich ten, wie bei den ersten Beispielen zeigt; Fig. 7 ist ein Schnitt; nach der Linie 7-7 der Fig. 6.
Bei der Kupplung nach den Fig. 1, \2 und 3 ist eine Trommel 11 bei 12 auf die getriebene Welle 13 aufgekeilt, die ein Teil einer anzutreibenden Maschine ist oder wirk sam mit ihr in irgend einer geeigneten Weise verbunden ist. Auf die Antriebswelle 14 ist bei 15 der Arm 16 aufgekeilt, der hier als ein mit der auf der Welle 14 aufgekeilten Nabe 17 zusammenhängender Teil gezeigt ist. Der äussere Teil des Armes 16 ist im Durch messer relativ eingeengt und ist mit einem Organ 18 verbunden, das als biegsames Rei bungselement bezeichnet wird.
Dieses Reibungselement enthält ein bieg sames Stahlband 19, das in eine gekrümmte Form nach Fig. 1. gebogen ist. Auf seiner äussern Oberfläche ist in irgend einer geeig neten Weise ein Reibungsmaterialbelag 20 mit einem mässig hohen Minimalreibungs- koeffizienten befestigt. In einer solchen Kupplung wie hier mag ein Minimalreibungs- koeffizient von ungefähr 0,35 gut sein. Auf der innern Oberfläche des Stahlbandes 19 sind Gewichte 21 aufgenietet, die gleich mässig längs des Bandes verteilt sind. Diese können aus irgend einem geeigneten Material, wie zum Beispiel Messing, bestehen.
Wenn der Antriebsmotor anläuft, wird die Antriebswelle 14 mit zunehmender Ge schwindigkeit in der Winkelrichtung, die durch den Pfeil a angezeigt ist, gedreht, wo bei der Arm 16 das Reibungselement 18 mit dreht. Die Drehung des Elementes 18 bringt eine Zentrifugalwirkung auf die Masse dieses Elementes hervor, die es nach aussen gegen die innere zylindrische Stützfläche 11' der Trommel 11 zu drücken sucht. Da der grösste Teil der Masse des Reibungselemen tes in den Gewichten 21 liegt, steuern sie den grösseren Teil zur Zentrifugalkraft bei.
Wenn eine ausreichende Drehgeschwindig keit erreicht ist, dehnt die Zentrifugalkraft das Reibungselement so weit aus, dass der Reibbelag mit der zylindrischen Stützfläche 11' in gleitendem Eingriff steht, wie es in Fig. 2 angegeben ist. Mit zunehmender Ge- schwindigkeit des Motors und der Welle 14 wächst in gleicher Weise die Zentrifugal kraft, die radial auf die Stützfläche 11' wirkt und das Reibungselement dagegen drückt. Wenn der Reibbelag zuerst mit der Stützfläche in Eingriff kommt, ist das auf die Trommel übertragene Drehmoment klein; wenn aber die Geschwindigkeit der Antriebs welle ansteigt, wächst mit der Zunahme der Zentrifugalkraft allmählich das Dreh moment, bis ein Maximalwert des Dreh momentes übertragen wird, wenn der Motor auf voller Tourenzahl arbeitet.
Abhängig von verschiedenen Faktoren, wie zum Beispiel von der Elastizität des Bandes 19, der Masse in dem Reibungsele ment und besonders den Gewichten 2'1 muss eine gewisse Geschwindigkeit der Antriebs welle erreicht sein, bevor das Reibungsele ment ausreichend ausgedehnt ist, um den Reibbelag 20 mit der Stützfläche 11' in Ein griff zu bringen, und eine noch grössere Ge schwindigkeit, bevor das Reibungselement mit ausreichender Kraft gegen die Stütz fläche gepresst wird, um ein grosses Dreh moment auf die Trommel 11 und die getrie bene Welle 13 auszuüben.
Wie leicht ersichtlich, ist das Kuppeln selbsttätig. Es erfolgt allmählich und legt weder dem Motor oder den getriebenen Tei len eine übermässige oder plötzliche Bean spruchung oder Stoss auf, noch den Kupp lungsteilen selbst. Durch eine geeignete Aus wahl der Materialien und Dimensionen der Teile kann die Kupplung dafür entworfen werden, dass ein Eingriff des biegsamen Rei bungselementes mit der Stützfläche zwecks Übertragung eines Drehmomentes erst dann bewirkt wird, wenn die gewünschte Ge schwindigkeit des Motors erreicht ist.
Wenn die getriebenen Teile auf voller Geschwindigkeit sind, soll keine Reibung zwischen den Kupplungsteilen bestehen und kein Schlüpfen zwischen den Kupplungsele menten und der Trommel vorhanden sein.
Die Übertragung des Drehmomentes er folgt bei der beschriebenen Kupplung prak- tisch unabhängig von Schwankungen im Rei bungskoeffizienten der verwendeten Rei bungsmaterialien. Zahlreiche Untersuchun gen haben gezeigt, dass der Reibungskoeffi zient eines Materials kein konstanter Wert ist, oder einer, der nur leicht schwankt, son dern dass er tatsächlich im Betrieb eine Grösse ist, die stark schY,,vankt, und zwar häufiges Schwanken in relativ kurzen Zeit perioden zeigt. Es wird jetzt dargelegt, wie, trotz der grossen Schwankungen im Reibungs koeffizienten des verwendeten Materials, das mit der Kupplung übertragene Dreh moment praktisch unabhängig von solchen Schwankungen ist.
Mit Bezug auf die soeben beschriebene Kupplung ist zuerst zu bemerken, dass das Reibungselement 18 mit dem Arm 16 an einem Ende in Zugverbindung steht. Das Reibungselement ist so biegsam, dass es sich unter dem Einfluss der radial wirkenden Zentrifugalkraft an der Stützfläche wäh rend des Schlüpfens anschmiegt. Die radialen Kräfte auf das Reibungselement während der Betätigung sind annähernd gleichmässig ver teilt. Das Reibungsglied wird durch die Zug verbindung an dem einen Ende in der Rich tung des Pfeils a gedreht.
Unter diesen Be dingungen ist das übertragene Drehmoment annähernd gleich dem Produkt aus der Zen trifugalkraft, pro Bandlängeneinheit, die das Reibungselement gegen die Stützfläche presst, mal dem Radius des innern Zylinders der Trommel und dem Faktor
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wo bei e die Basis des natürlichen Logarithmen systems, ,u der Reibungskoeffizient des Be- lagmaterials und a der Deckungswinkel des Reibungselementes ist, ausgedrückt in der Bogenlänge, das heisst der Eingriffswinkel des Reibungselementes mit der Stützfläche der Trommel.
Hieraus ist ersichtlich, dass sich der einzige Einfluss auf die Dreh momentübertragung durch Schwankungen des Reibungskoeffizienten in der Grösse
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befindet. Ist der Minimalrei- bungskoeffizient 0,35 und der Deckungswin- kel so wie in Fig. \? dargestellt, hat die Grösse
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augenscheinlich einen kleinen Wert und der Faktor
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wird nur wenig kleiner als 1 sein, und des halb kann dieser Faktor nur eine kleine Wir kung auf die übertragene Drehnlomentgrösse haben.
Je grösser der Reibungskoeffizient ist, desto kleiner ist der Wert voll
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und desto mehr nähert sich der Faktor
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der Einheit. Deshalb ist es einleuchtend, dass, wie gross auch immer die Schwankung des Reibungskoeffizienten über den gegebenen Minimal- wert ist, nur eine kleine Schwankung in der Drehmomentgrösse sein wird.
Es ist unerwünscht, den Reibungskoeffi zienten auf einen Minimalwert zu begrenzen. Wichtig ist, dass bei der wie oben ange geben entworfenen und betriebenen Kupp kng das Produkt (u <I>a)</I> einen ausreichenden Wert habe, um
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vernachlässig- bar zu machen.
Natürlich werden die Anforderungen an konstante Drehmomentübertragung für die verschiedenen Fälle verschieden sein. Zum Beispiel lässt ein Motor, der für '?5 % Über lastung entworfen wurde, eine grössere Schwankung der Drehmomentübertragun(-T zu als einer, der nur für 1.0% Überlastung; bestimmt wurde. Im ersteren Falle kann (@c <I>a)</I> kleiner sein als im letzteren, um eine Drehmomentübertragung mit der Kupplung zu erzielen, die praktisch unabhängig von Schwankungen des Reibungskoeffizienten ist.
Bei sehr kleinen Minimalreibungskoeffi- zienten ist es möglich, einen grösseren Dek- kungswinkel zu verwenden, wobei anstatt eines Segmentes wie bei der hier gezeigten Ausführung auch eine Spirale mit einem ent sprechend grossen Deckungswinkel verwen det werden kann. Um diese praktische Konstanz des Dreh- momentes'mit der eben beschriebenen Kupp lung zu erhalten, ist es notwendig, dass ge wisse Arbeitsbedingungen beachtet werden.
Wenn die Antriebswelle in Fig. l., 2 und 3 umkehren und der Arm 16 entgegen dem Uhrzeigersinne gedreht % ,erden sollte, das heisst in einer Winkelrichtung entgegen dem Pfeil a, würde jede Schwankung im Rei bungskoeffizienten in ihrer Wirkung auf das Drehmoment stark vervielfacht werden. Wenn jedoch der Arm 16 mit dem andern Ende des Reibungselementes 18 anstatt des gezeigten Endes- in Zugverbindung wäre, müsste die Drehung des Armes 16 entgegen dem Uhrzeigersinne sein, um Konstanz des Drehungsmomentes zu erhalten, und die Dre hung in Winkelrichtung des Pfeils a würde in solchem Falle ein Drehmoment hervor rufen, das bei jeder Schwankung im Rei bungskoeffizienten stark variieren würde.
Wenn die Antriebswelle, der Arm und das Reibungselement nach Fig. 2 sich im Uhr zeigersinne drehen und ein Drehmoment auf die Trommel 11 übertragen, wirkt die Zen trifugalkraft radial auf das Element, um es gegen die Stützfläche 11' zu pressen. Dabei gleitet das Reibungselement relativ zur Stützfläche 11', was mit andern Worten be deutet, dass diese Stützfläche relativ. zur Stützfläche eine Winkelbewegung in der Richtung des Pfeils b hat. Durch die radial gerichtete Kraft infolge der Zentrifugalwir- kung und das Gleiten des Reibungselementes über die Stützfläche der Trommel wird das Reibungselement einer Längsbeanspruchung unterworfen, die in diesem Falle eine Zug spannung ist, die an Stärke von dem verbun denen zum freien Ende abnimmt.
In diesem Falle ist ein konstantes Drehmoment sicher gestellt.
Wenn jetzt bei derselben Zugverbindung des Armes 16 mit dem Reibungselement die Drehung in der entgegengesetzten Richtung, das heisst entgegen dem Pfeil a, stattfin den würde, würde die Zentrifugalkraft noch radial wirken, und ein Gleiten rela tiv zur Stützfläche würde stattfinden, je- doch in der umgekehrten Richtung wie beim vorigen Fall. Als Folge würde auch eine Längsbeanspruchung hervorgerufen werden, aber in diesem Fall würde es eine Zusa.m- mendrückung statt einer Zugspannung sein.
In den Fig. 4 und 5 ist eine Kupplung für beide Drehrichtungen gezeigt.
Sie unterscheidet sich von der zuerst be schriebenen Form dadurch, dass sie besser ausbalanciert ist. Die Antriebswelle 1.4, die getriebene Welle 13 und Hohltrommel 11 sind gleich wie in den Fig. 1 bis 3, ausser class keine Verbindung zwischen den beiden Wellen vorhanden ist, um eine achsiale Ausrichtung aufrecht zu erhalten.
Auf der Antriebswelle 1.4 ist die volle Trommel 30 aufgekeilt, auf der die Stifte 31, 31', 32 und 32' befestigt sind; die Stifte 31 und 32 sind in einem relativ kleinen Winkelabstand von einander angeordnet, ebenso auch die Stifte 31' und 32'; Stift 31 liegt diametral gegen über dem Stift 31' und Stift 32 diametral gegenüber dem Stift 32'; die Stifte 31' und 32' jedoch sind längs der Trommel 30 in einer von der Ebene der Stifte 31 und 32 verschiedenen Ebene angeordnet.
Diese Kupplung ist mit zwei Reibungs elementen 33 und 34 versehen. Die Reibungs elemente sind der der Kupplung nach den Fig. 1, 2 und 3 ähnlich und haben Stahl bänder 35, die mit Reibungsmaterialbelägen 36 versehen sind, die auf der Aussenfläche des Bandes befestigt sind, während die Ge wichte 37 gleichmässig verteilt und auf der Innenfläche des Bandes befestigt sind.
In der Nähe der beiden Enden des Rei bungselementes 33 befinden sich Öffnungen 38 und 39, in die die Stifte 31 bezw. 32 ein greifen. Das Reibungselement 34 hat ähn liche Öffnungen 38' und 39' für die Stifte 31' und 32'.
Da diese Vorrichtung in jeder Richtung, betätigt werden soll, sind diese Öffnungen von wesentlich grösserer Dimension längs des Reibungselementes als der Durchmesser der Stifte. Fernerhin ist -zu beachten, dass die Tiefe der Öffnungen ausreichend gross ist, um eine wesentliche Bewegungsfreiheit des Reibungselementes längs der Stifte zuzu lassen.
Beim Anlaufen des Motors tritt,-um die Trommel 30 in der durch den Pfeil c ange zeigten Winkelrichtung zu drehen, der Stift 31 in Zugeingriff mit dem Ende des Rei bungselementes 33 und der Stift 31' in ähn licher Weise mit dem Ende des Reibungs elementes 34. Wenn der Motor auf Touren kommt, wird die gleiche Wirkungsfolge in der Kupplungsbetätigung wie bei der vori gen Art hervorgerufen.
Wegen der grösseren Dimensionen der Öffnungen in den Enden der Reibungsele mente im Vergleich zum Durchmesser der Stifte sind die Stifte 32 und 32' ausser Zug eingriff mit den Bändern während der Dre hung der Trommel in Winkelrichtung des Pfeils c. Beim Drehen der Trommel 30 in der umgekehrten Richtung, das heisst in der durch Pfeil d angezeigten Winkelrichtung treten jetzt die Stifte 32 und 32' in Zugein griff mit den entgegengesetzten Enden der Reibungselemente, während die Stifte 31 und 31' nicht auf die Reibungselemente ein wirken.
Die zuletzt beschriebene Kupplung kann als nachgiebige Kupplung verwendet wer den, da die antreibende und getriebene Welle nicht durch eine Führungsverbindung 14' ge halten werden, wie die Wellen 14 und 13 der zuletzt beschriebenen Ausführungsform. Die Zugverbindung der Antriebstrommel 30 mit den Enden der Reibungselemente ist keine starre, sondern lässt eine wesentliche Bewe gung der Enden der Reibungselemente radial zu den Trommeln zu. Folglich sind die an treibenden und getriebenen Wellen 14 und 13 einer Winkel- und Querverschiebung rela tiv zueinander fähig und ermöglichen da durch die Verwendung der Vorrichtung als eine nachgiebige Kupplung.
Um eine Unabhängigkeit von Schwan kungen des Reibungskoeffizienten zu erhal ten, ist es nicht nötig, sich auf die Zentri fugalkraft zu beschränken, um das Band ra dial gegen die Stützfläche zu pressen. Es können zum Beispiel Federn verwendet wer den, wie es in den Fig. 6 und 7 angegeben ist, wobei Trommel, antreibende und getrie bene Welle, ähnlich sind wie bei den hierin bereits beschriebenen Kupplungen. Auf der Antriebswelle 14 ist ein Arm 45 aufgekeilt, der in eine Öffnung 47 des biegsamen Rei bungselementes 46 eingreift. Dieses biegsame Reibungselement besteht aus einem Stahlband 48 und einem darauf befestigten Reibungs- materialbelag 49.
In gleichmässig angeordne ten Zwischenräumen sind Stifte 50 auf der innern Fläche des Bandes 48 einwärts ragend befestigt. Zapfen 51, von gleicher Anzahl wie die Stifte 50, sind auf der Nabe 5-' ausgebildet, die den Arm 45 trägt.
Druckfedern 53 sind zwischen die Nabe und das Reibungselement gesetzt, wobei die Stifte auf der Nabe und dem Band und der Arm 45 sie in der gewünschten Lage halten. Diese Federn haben wesentlich gleiche Stärke von einer solchen Grösse, dass sie den Reib belag gegen die innere zylindrische Stütz fläche der Trommel mit der gewünschten Kraft pressen.
In dieser Kupplung überträgt das Rei bungselement das Drehmoment, sobald der Motor anläuft, wobei die Grösse des übertra genen Drehmomentes hauptsächlich von der Stärke der Fedetn 53 abhängt, und deshalb hat die Zentrifugalwirkung einen geringeren Einfluss. Natürlich bringt die Masse des Reibungselementes eine gewisse radial wir kende Zentrifugalkraftgrösse hervor, aber bei den Geschwindigkeiten, wie sie gewöhnlich verwendet werden, ist jene im Verhältnis zu der von den Federn ausgeübten Kraft klein. Diese Kupplungsform ist dafür geeignet, ein Drehmoment zu übertragen, das nahezu unab hängig von der Drehgeschwindigkeit ist.
Für diese Ausführung gilt. die gleicht Untersuchung zur Bestimmung der Drehrich tung der Teile, um eine Unabhängigkeit von Schwankungen im Reibungskoeffizienten si cherzustellen. Angenommen, die Antriebs welle 14 und der Arm 45, an dem das Rei bungselement 46 befestigt ist, drehe sich in der Richtung des Pfeils e. Unter dieser Be dingung steht das Reibungselement unter Zugspannung und wie bei den vorigen Arten wird ein Drehmoment übertragen, das prak tisch unabhängig vom Reibungskoeffizienten ist.
Ferner ist es für diese Ausführungsform der Kupplung nicht wesentlich, dass die Welle 14 das treibende Glied und die Welle 13 das getriebene Glied bildet. Die Kupp lung würde mit einer Umkehr der Antriebs seite auch wirksam sein, wobei das Dreh moment dann durch die Trommel 11, das Rei bungselement 46 und den Arm 45 auf die Welle 14 übertragen würde. Bei einer sol chen Betriebsart ist es einleuchtend, dass sich die Trommel 11 in der Richtung des in Fig. 6 eingezeichneten Pfeils b drehen soll, um das Reibungselement 46 unter Zug zu setzen und so die geeignete Drehwinkelrich- tung zu haben,
um Konstanz des Dreh momentes zu halten.
Obgleich die in den Fig. 6 und 7 darge stellten Mittel zum Anpressen des Reibungs elementes gegen die Stützfläche derart an gegeben wurden, dass sie wesentliche Iüäfte_auf--da-s-Ruihungselement änsüben, so heisst das nicht, dass das Reibungselement in allen Teilen mit derselben Kraft gegen die Stützfläche gepresst wird. Man betrachte die Ausführung nach Fix. 6 und 7. Hier übt jede Feder praktisch die gleiche radiale Kraft auf das Reibungselement aus wie die andere. In andern Worten, die auf das Rei bungselement ausgeübten radialen Kräfte sind gleich.
Aber wegen der Drehung des Bandes relativ zur Stützfläche während des Schlüpfens schwankt der durch das Band auf die Stützfläche ausgeübte resultierende Druck in den verschiedenen Teilen dessel ben. Tatsächlich ist der grösste Druck, den das Band gegen die Stützfläche ausübt, am freien oder unverbundenen Ende des Rei bungselementes und nimmt längs des Bandes bis zum verbundenen Ende ab, wo der au5#- ;eiibte Druck am kleinsten ist.
Die kraftausübenden Elemente, ob Ge wichte oder Federn, sind in den Ausfüh- rungsbeispielen in gleichen Winkelabstän den gleichmässig verteilt gezeigt. Natürlich nähert sich dies fast ganz den Idealbedin gungen; in der Praxis aber können diese Bedingungen etwas abweichend sein. In der Form nach Fig. 1 können zum Beispiel die Gewichte ungleich sein, oder sie können in etwas verschiedenen Abständen angeordnet sein. Ferner zeigt die Zeichnung Reibungs elemente mit Belägen von derselben Stärke über ihre Länge hin, doch kann es Fälle geben, wo es wünschenswert ist, den Belag an den Enden stärker zu machen.
Dieses kann bei den freien Enden der gezeigten Formen zutreffen, da sich die grösste Ab nützung an diesen freien Enden findet. Diese Veränderungen machen zwar das Dreh moment weniger unabhängig von Schwan kungen im Reibungskoeffizienten, können aber in vielen Fällen angebracht werden und können doch noch innerhalb der zulässigen Schwankung des Drehmomentes liegen.
In jeder dargestellten Ausführungsform ist ein biegsames Reibungselement vorhan- _dendas-in-Deckei4griff mit einer zylindri schen Stützfläche zu treten vermag, die hier im besonderen als ein innerer Zylinder ge zeigt ist und das an einem Ende in Zugver bindung entweder mit dem antreibenden oder dem angetriebenen Gliede steht. Ferner ist die Zugverbindung mit einem Ende des Rei bungselementes in der Art eines Zuges und die Längsbeanspruchung, die in dem Rei bungselement während der Betätigung her vorgerufen wird, ist eine Zugspannung.
Die Vorteile der Erfindung sind leicht ersichtlich. Sobald einmal der Motor auf vol ler Geschwindigkeit ist, übt jede der be schriebenen Kupplungen eine praktisch kon stante Grösse des Drehmomentes aus. Schwan kungen in den Arbeitsanforderungen des ge triebenen Apparates beeinträchtigen nicht wesentlich diese Konstanz des Drehmomen tes, und daher -wird eine Überlastung des Motors vermieden. Diese Kupplungen sind von augenscheinlichem Wert bei Antriebs apparaten von beträchtlicher Trägheit mit einem Motor mit konstanter Drehgeschwin digkeit.