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:
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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
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_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.
Fixed connection between two machine elements for torque transmission In general mechanical engineering, different types of fixed connections between two Ma machine elements for torque transmission are known.
The most common known type of connection is the flange connection between two shafts, which can be implemented in different ways.
In some of these known designs, the centered flanges are tightened by a series of bolts with fitted shafts. These screws connect both flanges in the axial direction on the one hand, and on the other hand they carry the torque and are subjected to thrust.
In other fixed connections of this type who relieved the screws and transmitted the torque through a key inserted in the grooves provided in the end parts of the flanges.
These connections are mostly used for larger machine parts that are rarely separated from each other.
Their manufacture requires an exact fit of the individual pieces to one another, and in most cases they are not interchangeable with one another.
These connections almost exclusively transmit tangential forces from the torque and are not stressed by axial forces.
In those cases where it seems necessary to dismantle the components more often or where it is serial production and shortening the time required for the assembly and disassembly work, a fixed connection with the help of spur gears or concentric circular sprockets with each other is wedge-like tapered teeth are used.
One advantage of these types of connection lies in the possibility of their use for series production without special fitting of the individual pieces to one another, in the quick dismantling due to the wedge-like tapering of the teeth and in the possibility of mutual interchangeability of the components.
The tangential forces generated by the torque are transmitted through the tooth flanks in these connections.
The axial forces that arise from the incline of the tooth flanks are absorbed by the connecting screws secured against loosening by means of the common securing means such as spring washers, castle nuts with split pins and the like. The large number of tooth flanks participating in the transmission of the tangential forces arising from the torque requires a particularly high level of precision in their generation. A mathematical accuracy, which would require an even proportion of all teeth in the torque transmission, is outside the range of the most precise machine tools known to date with optical knife adjustment.
It is therefore practically impossible to get the teeth to sit on along their entire flank surface, and in reality the teeth sit on only part of their flank surface. The reduction in the flank contact area often causes it to be overloaded beyond the elastic limit of the material and to be squeezed within limits that correspond to the difference between the production accuracy and its mathematical accuracy.
This causes the emergence of small games which, however, increase in size over time in the company and could lead to loosening or disruption of the connection.
But not only inaccuracy in the manufacture of the teeth can be the cause of the loosening of the connection, the inaccuracy in the manufacture of the threads of both the screws and the holes into which they are screwed, as well as the expansion of the screws themselves under the influence of the axial force, also contribute Easing at.
In this case, the use of the usual securing means exclusively from the point of view of preventing screw loosening is inadequate and does not guarantee that the connection will not loosen even if the screws are not loosened, with all the resulting consequences.
This fact has essentially contributed to the fact that up to now the use of a fixed connection with the help of cross teeth or concentric circular tooth rings has remained limited to the transmission of small torques, whereby the connection loosening was prevented by the uneconomical dimensioning of a large coupling.
According to the present invention, the task of securing a reliable clutch function through the use of a known Ma machine element - washer in the form of a plate spring - is solved, but from a completely new point of view Ge in terms of their dimensioning, taking into account the game that is in the connection is due on the one hand to inaccuracy in the manufacture of the toothing and the thread of the connecting screw or screws, and on the other hand due to the expansion of the screw or screws under the influence of the axial force. If this play were not eliminated in time, it would remain the cause of the loosening of the connection.
The present invention eliminates this technical deficiency in that the compression of the parts to be connected via one or more disc springs under the nut or under the head of one or more connecting screws it follows, the disc spring or disc springs after the following, the force and deflection , for which the spring or springs are to be calculated, are dimensioned according to the formula:
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In this formula as well as in Figs. 5 and 6:
Mkmx = the maximum torque transmitted through the connection dz = the mean diameter of the toothing on the coupling face Pmx = the maximum tangential force corresponding to the maximum torque
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Amx = that from the transmission Mkmx and the angle of inclination,
ss of the clutch teeth resulting maximum
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fc - the total deflection of the plate spring f vz = the deflection of the plate spring corresponding to the maximum possible play in the teeth due to the inaccuracy of manufacturing and the resulting impression f vs = the maximum possible play in the screws due to the inaccuracy of the manufacturing and due to the screw elongation, the corresponding deflection of the disc spring fAx = that of the axial force
Amx corresponding deflection of the plate spring fb = the deflection of the plate spring corresponding to the safety force reserve <I> Q '</I> = that of the deflection fAx <I> + </I> fb or <I> f c- f </I> vz- <I> f </I> vs the spring force corresponding to the disc spring
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_O = the force corresponding to the deflection fc
EMI0002.0044
General formula for calculating the force,
which the disc spring produces when fully compressed, where: n = the number of connecting screws fc = the total deflection in centimeters s = thickness of the base in centimeters r "" = outer radius of the base in centimeters a = the ratio
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Coefficient as a function of the plate spring As can be seen from the diagram in FIG. 5, the force <I> Q </I> is greater than the force <I> Q '</I> and the latter is greater than the force Amx.
Q> Q '> Arnx or
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In the sense of the invention, the fixed connection is made by cross-face teeth or circular ring gears concentric to one another, in that it is secured against loosening by a plate spring measured to the force Q for deflection fe.
The force reduced by part of its force due to the reduction of the deflection by the value fvz <I> + </I> fvs results in the force Q ', which in turn is greater than the force Amx, namely by that of the deflection f <I> b </I> corresponding safety reserve.
Such a dimensioning of the disc spring ensures that the play due to the inaccuracy of the teeth and the play due to the inaccuracy of the screw thread and due to stretching are eliminated by the fact that the disc spring returns from the completely flat state to a partially bent state.
Although its force drops slightly, it is sufficient with a certain reserve to compensate for the axial force resulting from the maximum torque transmitted by the clutch.
Of course, in the case where several connecting screws are used in the fixed connection, a disc spring is placed under the head or the nut of each individual screw and the force portion allotted to one screw is calculated.
Fig. 1 of the accompanying drawing illustrates, as an example, the fixed connection between two shafts for torque transmission by means of a cross-toothed face with wedge-like tapering teeth. In this case, four connecting screws and four disc springs are used under the nuts. The disc springs are dimensioned based on the above calculation.
2 shows a similar connection, but with concentric circular tooth rings with wedge-like tapering teeth.
Fig. 3 shows in two views with a part cut the fixed connection by means of cross teeth with wedge-like tapering teeth between a cardan shaft 1 and the flat driver 2 of an elastic coupling for the transmission of the torque from the engine to the gearbox.
In this case, the connection between the cardan shaft 1 and the driver 2 is made by means of a hollow screw 3 with a hexagon socket, which is countersunk into the thread opening in the reinforced cardan shaft end. Under the screw head, the plate spring 4 measured according to the above is attached.
The screw 3 is secured against loosening by a sheet metal channel 5.
When fully compressed, the disc spring develops a force Q which, when it springs back, is reduced by the mentioned play f vz <I> + f </I> vs to the value Q ', which is reduced by a certain amount, the deflection f <I> b </I> the corresponding safety amount exceeds the value of the maximum axial force Amx and maintains the entire connection in a solid state.
For the sake of clarity, FIG. 4 shows a detail of the connection according to FIG. 3 on a larger scale, in view and in section.
Fig. 5 illustrates the diagram of the forces and deflections of a plate spring.
Fig. 6 shows a cross section through a tooth in a gap between two opposing teeth.
The solution to the problem of obtaining a secure, fixed connection between two components for torque transmission is thus achieved by means of cross gears or concentric circular gear rims with wedge-like tapered teeth, and the invention offers the possibility of making full use of this connection in various machine constructions .
In practice, this type of application offers a secure, fixed connection for torque transmission in numerous cases, especially in the case of electric locomotives for the transmission of torque from the traction motor via an elastic cardan coupling to the pinion of the gear box on the wheelset axis.