Feste Verbindung zwischen zwei Maschinenelementen für Drehmomentübertragung Im allgemeinen Maschinenbau sind verschiedene Arten von festen Verbindungen zwischen zwei Ma schinenelementen für die Drehmomentübertragung bekannt.
Die geläufigste bekannte Verbindungsart ist die Flanschenverbindung zwischen zwei Wellen, welche in verschiedener Weise ausgeführt werden kann.
Bei manchen dieser bekannten Ausführungen werden die aufeinander zentrierten Flansche durch eine Reihe von Schrauben mit eingepassten Schäften festgespannt. Diese Schrauben verbinden einerseits beide Flansche in der Achsrichtung, anderseits über tragen dieselben das Drehmoment und werden auf Schub beansprucht.
Bei andern festen Verbindungen dieser Art wer den die Schrauben entlastet und das Drehmoment durch einen in die, in den Stirnteilen der Flanschen vorgesehenen Nuten eingesetzten Keil übertragen.
Diese Verbindungen werden meist bei grösseren Maschinenteilen verwendet, die selten voneinander gelöst werden.
Ihre Fertigung erfordert eine genaue Passung der einzelnen Stücke zueinander, und dieselben sind in den meisten Fällen nicht gegeneinander austauschbar.
Diese Verbindungen übertragen fast ausschliess lich Tangentialkräfte vom Drehmoment und werden durch Axialkräfte nicht beansprucht.
In jenen Fällen, wo es notwendig erscheint, die Bestandteile öfters zu demontieren bzw. wo es sich um Reihenfertigung und Abkürzung der für die Mon tage- und Demontagearbeiten erforderlichen Zeit handelt, wird eine feste Verbindung mit Hilfe von Stirnkreuzverzahnungen oder zueinander konzentri schen kreisförmigen Zahnkränzen mit keilartig sich verjüngenden Zähnen verwendet.
Ein Vorteil dieser Verbindungsarten liegt in der Möglichkeit ihrer Anwendung für die Serieherstellung ohne besondere Aneinand'erpassung der einzelnen Stücke, in der durch die keilartige Verjüngung der Zähne bedingten schnellen Demontage sowie in der Möglichkeit der gegenseitigen Austauschbarkeit der Bestandteile.
Die vom Drehmoment entstehenden Tangential- kräfte werden bei diesen Verbindungen durch die Zahnflanken übertragen.
Die aus der Schräge der Zahnflanken erwachsen den Achskräfte werden durch die gegen Lockerung mittels der geläufigen Sicherungsmittel, wie Feder unterlagen, Kronenmuttern mit Splinten und derglei chen gesicherten Verbindungsschrauben aufgenom men. Die grosse Anzahl der an der Übertragung der aus dem Drehmoment entstehenden Tangentialkräfte teilnehmenden Zahnflanken erfordert eine besonders hohe Präzision bei ihrer Erzeugung. Eine mathema tische Genauigkeit, die einen gleichmässigen Anteil aller Zähne in der Drehmomentübertragung bedingen würde, liegt ausserhalb des Bereiches der von den präzisesten bisher bekannten Werkzeugmaschinen mit optischer Messereinstellung gebotenen Möglichkeiten.
Es ist daher praktisch unmöglich, ein Aufsitzen der Zähne entlang ihrer ganzen Flankenfläche zu er zielen, und in Wirklichkeit sitzen die Zähne nur mit einem Teil ihrer Flankenfläche auf. Die Verkleine rung der Flankenberührungsfläche bewirkt oft deren Überlastung über die Elastizitätsgrenze des Materials hinaus und ihre Abquetschung in Grenzen, die dem Unterschied zwischen der Erzeugungs- und ihrer mathematischen Genauigkeit entsprechen.
Dies verursacht die Entstehung kleiner Spiele, die sich jedoch mit der Zeit im Betriebe vergrössern und zur Lockerung bzw. Störung der Verbindung führen könnten.
Doch nicht nur Ungenauigkeit der Fertigung der Zähne kann Ursache der Verbindungslockerung sein, auch die Ungenauigkeit in der Fertigung der Gewinde sowohl der Schrauben als auch der Löcher, in die sie eingeschraubt sind, sowie auch die Dehnung der Schrauben selbst unter dem Einfluss der Achskraft tragen zur Lockerung bei.
Die Verwendung der geläufigen Sicherungsmittel ausschliesslich vom Gesichtspunkt der Verhinderung der Schraubenlockerung ist in diesem Fall unzurei chend und gibt keine Gewähr dafür, dass selbst mit ungelockerten Schrauben sich die Verbindung nicht lockern wird, mit allen daraus erfliessenden Folgen.
Dieser Umstand hat im wesentlichen Masse dazu beigetragen, dass bisher die Verwendung einer festen Verbindung mit Hilfe von Stirnkreuzverzahnungen oder zueinander konzentrischen kreisförmigen Zahn kränzen nur auf die übertragung kleiner Dreh momente beschränkt geblieben ist, wobei durch die unwirtschaftliche Bemessung einer grossen Kupplung die Verbindungslockerung verhindert wurde.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird die Auf gabe der Sicherung einer verlässlichen Kupplungs- funktion durch die Verwendung eines bekannten Ma schinenelementes - Unterlagscheibe in Form einer Tellerfeder - gelöst, jedoch unter ganz neuen Ge sichtspunkten bezüglich ihrer Bemessung, und zwar unter Berücksichtigung des Spiels, das in der Ver bindung einerseits infolge Ungenauigkeit in der Fer tigung der Verzahnung und der Gewinde der Ver bindungsschraube oder -schrauben, anderseits durch die Dehnung der Schraube oder Schrauben unter dem Einfluss der Achskraft bedingt ist. Würde dieses Spiel nicht rechtzeitig beseitigt werden, bliebe es die Ursache für die Lockerung der Verbindung.
Die vorliegende Erfindung beseitigt diesen tech nischen Mangel dadurch, dass die Zusammenpressung der zu verbindenden Teile über eine oder mehrere Tellerfedern unter der Mutter oder unter dem Kopf von einer oder mehreren Verbindungsschrauben er folgt, wobei die Tellerfeder oder Tellerfedern nach der folgenden, die Kraft und Durchbiegung, für die die Feder oder Federn zu berechnen sind, ergebenden Formel bemessen sind:
EMI0002.0009
In dieser Formel sowie in Fig. 5 und 6 bedeuten:
Mkmx= das maximale durch die Verbindung über tragene Drehmoment dz = den mittleren Durchmesser der Verzah nung auf der Kupplungsstirnfläche Pmx = die dem maximalen Drehmoment entspre chende maximale Tangentialkraft
EMI0002.0015
Amx = die aus der übertragung Mkmx und dem Neigungswinkel ,
ss der Kupplungszähne sich ergebende maximale
EMI0002.0020
fc - die Gesamtdurchbiegung der Tellerfeder f vz = die dem maximal möglichen Spiel in den Zähnen infolge Ungenauigkeit der Ferti gung und der sich daraus ergebenden Ab- drückung entsprechende Durchbiegung der Tellerfeder f vs = die dem maximal möglichen Spiel in den Schrauben infolge Ungenauigkeit der Ferti gung und infolge Schraubendehnung ent sprechende Durchbiegung der Tellerfeder fAx = die der Axialkraft
Amx entsprechende Durchbiegung der Tellerfeder fb = die der Sicherheitskraftreserve entspre chende Durchbiegung der Tellerfeder <I>Q'</I> = die der Durchbiegung fAx <I>+</I> fb oder <I>f c- f</I> vz- <I>f</I> vs der Tellerfeder entspre chende Federkraft
EMI0002.0041
_O = die der Durchbiegung fc entsprechende Kraft
EMI0002.0044
Allgemeinformel für die Berechnung der Kraft,
welche die Tellerfeder bei ihrer vollkommenen Zusammen- drückung ergibt, wobei bedeuten: n = die Anzahl der Verbindungsschrauben fc = die Gesamtdurchbiegung in Zentimeter s = Stärke der Unterlage in Zentimeter r"" = Aussenhalbmesser der Unterlage in Zenti meter a = vom Verhältnis
EMI0002.0051
der Tel lerfeder abhängiger Koeffizient Wie aus dem Diagramm in Fig. 5 ersichtlich, ist die Kraft<I>Q</I> grösser als die Kraft<I>Q'</I> und letztere grösser als die Kraft Amx.
Q>Q'>Arnx oder
EMI0002.0055
Im Sinne der Erfindung erfolgt die feste Verbin dung durch Stirnkreuzverzahnungen oder zueinander konzentrische kreisförmige Zahnkränze dadurch, dass sie gegen Lockerung durch eine auf die Kraft Q bei Durchbiegung fe bemessene Tellerfeder gesichert ist.
Die um einen Teil ihrer Kraft infolge Verkleine rung der Durchbiegung um den Wert fvz <I>+</I> fvs ver ringerte Kraft ergibt die Kraft Q', die wiederum grö sser als die Kraft Amx ist, und zwar um die der Durchbiegung f <I>b</I> entsprechende Sicherheitsreserve.
Eine solche Bemessung der Tellerfeder gewähr leistet, dass das Spiel infolge der Ungenauigkeit der Zähne und das Spiel infolge Ungenauigkeit der Schraubengewinde und infolge Dehnung dadurch be seitigt werden, dass die Tellerfeder aus dem vollkom men flachen Zustand in einen teilweise durchgebo genen Zustand zurückkehrt.
Ihre Kraft sinkt zwar etwas ab, reicht jedoch mit einer bestimmten Reserve zum Ausgleich der sich aus dem von der Kupplung übertragenen maximalen Drehmoment ergebenden Achskraft aus.
Selbstverständlich wird in jenem Fall, wo in der festen Verbindung mehrere Verbindungsschrauben verwendet werden, eine Tellerfeder unter den Kopf oder die Mutter jeder einzelnen Schraube gelegt und auf den auf eine Schraube entfallenden Kraftanteil berechnet.
Fig. 1 der beiliegenden Zeichnung veranschau licht als Beispiel die feste Verbindung zwischen zwei Wellen für Drehmomentübertragung mittels Stirn kreuzver7ahnung mit keilartig sich verjüngenden Zäh nen. In diesem Fall werden vier Verbindungsschrau ben und vier Tellerfedern unter den Muttern ver wendet. Die Tellerfedern sind auf Grund der vor stehenden Berechnung bemessen.
Fig.2 zeigt eine ähnliche Verbindung, jedoch mit zueinander konzentrischen kreisförmigen Zahn kränzen mit keilartig sich verjüngenden Zähnen.
Fig. 3 zeigt in zwei Ansichten mit einem Teil schnitt die feste Verbindung mittels Stirnkreuzver- zahnungen mit keilartig sich verjüngenden Zähnen zwischen einer Kardanwelle 1 und dem flachen Mit nehmer 2 einer elastischen Kupplung für die Über tragung des Drehmomentes vom Motor auf den Ge triebekasten.
In diesem Falle wird die Verbindung zwischen der Kardanwelle 1 und dem Mitnehmer 2 mittels einer Hohlschraube 3 mit Innensechskant ausgeführt, die in die Gewindeöffnung im verstärkten Kardan- wellenende versenkt ist. Unter dem Schraubenkopf ist die nach obigen Darlegungen bemessene Teller feder 4 angebracht.
Die Schraube 3 ist gegen Lockerung durch eine Blechrinne 5 gesichert.
Die Tellerfeder entwickelt bei ihrem vollständigen Zusammendrücken eine Kraft Q, die sich beim Rück federn um das erwähnte Spiel f vz <I>+ f</I> vs auf den Wert Q' verringert, welcher um einen bestimmten, der Durchbiegung f <I>b</I> entsprechenden Sicherheitsbetrag den Wert der maximalen Axialkraft Amx übersteigt und die ganze Verbindung in festem Zustand erhält.
Fig. 4 zeigt übersichtshalber in grösserem Massstab in Ansicht und im Schnitt ein Detail der Verbindung nach Fig. 3.
Fig. 5 veranschaulicht das Diagramm der Kräfte und Durchbiegungen einer Tellerfeder.
Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch einen Zahn in einer Lücke zwischen zwei Gegenzähnen.
Die Lösung des Problems, eine sichere, feste Verbindung zwischen zwei Bestandteilen für die Drehmomentübertragung zu erhalten, erfolgt somit mittels Kreuzverzahnungen oder zueinander konzen trischer kreisförmiger Zahnkränze mit keilartig sich verjüngenden Zähnen, und die Erfindung bietet die Möglichkeit einer vollkommenen Ausnutzung dieser Verbindung bei verschiedenen Maschinenkonstruk tionen.
In der Praxis bietet sich die Anwendungsmög lichkeit dieser Ausführungsart einer sicheren, festen Verbindung für die Drehmomentübertragung in zahl reichen Fällen, namentlich bei elektrischen Loko motiven zur Übertragung des Drehmomentes von Traktionsmotor über eine elastische Kardankupplung auf das Ritzel des auf der Radsatzachse sitzenden Getriebekastens.