Selbsteinrückende Synchronzahnkupplung Die Erfindung betrifft eine selbsteinrückende Synchronzahnkupplung, welche eine relativ zur einen Kupplungshälfte begrenzt verschraubbare Kupplungs muffe mit angeschrägten Zahnenden aufweist, deren Kupplungsverzahnung mittels Einrückklinken bei ge genseitiger Relativdrehung der Kupplungshälften in einer Richtung mittels Steilgewinde axial zur andern Kupplungshälfte bewegt wird. Eine solche Kupplung ist z. B. bekanntgeworden, bei der die Einrückklinken durch die kinetische Energie einer strömenden Flüs sigkeit im Sinne einer Bewegung in oder ausser Ein griff 'beeinflusst werden.
Diese Art von Kupplungen finden Anwendung z. B. in Fahrzeugantrieben bei der Zuschaltung einer Gasturbine an ein bereits laufendes Aggregat, das durch eine Dampfturbine getrieben ist.
Ein Nachteil dieser Kupplung besteht darin, dass die verschraubbare Kupplungsmuffe und deren Ge winde zur Kraftübertragung herangezogen werden. Dadurch müssen diese empfindlichen Teile entspre chend stark bemessen werden und begrenzt dies den Drehzahlbereich nach oben einerseits und das Drehmoment anderseits.
Dieser Nachteil wird mit der erfindungsgemässen Synchronzahnkupplung dadurch gehoben, dass durch die Schraubbewegung der Kupplungsmuffe mit entsprechend angeschrägten Zahnenden diese ein Steuerelement axial verschiebt und am Ende dieser ersten Teilbewegung die Kupplungsmuffe in eine Anfangslage in Eingriff mit dem zweiten Kupp lungsteil kommt und durch die Axialbewegung dies Steuerelementes eine Fremdkraft in einer zweiten Teilbewegung die Zahnkupplung im wesentlichen axial ganz einrückt.
Dadurch ist es möglich, die Kupplungsmuffe und, die Einrückklinken, die die Schraubbewegung aus- führen, in ganz eingerückter Stellung vom zu über tragenden Drehmoment zu entlasten. Dies hat für diese empfindlichen Teile zur Folge, dass sie einer seits sehr leicht gebaut werden können und dadurch für einen viel höheren Drehzahlbereich verwendbar sind. Anderseits kann die an sich bekannte und ro buste Zahnkupplung, die das Drehmoment in einge rückter Stellung überträgt, nun so bemessen werden, dass auch die grössten zu erwartenden Drehmomente noch gut übertragen werden können.
Zum bekannten Stand der Technik gehört in diesem Zusammenhang auch eine Zahnkupplung, bei welcher ein muffenförrniges, mit einem inneren Steilgewinde versehenes, aussen mit einem Kupplungs- zah#nkranz und gegebenenfalls Einrückhilfsmitteln, wie Klinken oder dergleichen, ausgestattetes Zwi- schen,glied längs eines entsprechenden äusseren Steil gewindes des einen Kupplungselementes verschraubt werden kann, wodurch der Aussenzahnkranz jeweils in oder ausser Eingriff mit einem entsprechenden Innenzahnkranz des anderen Kupplungselementes kommt und wobei eine auf dem einen Kupplungs element axial verschiebbare,
mit GeradVerzahnungen versehene Schaltmuffe vorgesehen ist, die bei voll eingerückter Kupplungsverzahnung wahlweise ent weder in eine Stellung verschiebbar ist, in welcher auf Grund des Eingriffs ihrer Geradverzahnungen in entsprechende Gegenverzahnungen des Zwischenglie des einerseits und des einen Kupplungselernentes anderseits eine Verschraubung des Zwischengliedes verhindert wird, oder in eine Stellung, in welcher min destens eine der Geradverzahnungen der Schaltmuffe ausser Eingriff mit ihrer Gegenverzahnung steht, so dass eine Verschraubung des Zwischengliedes möglich ist,
während bei ausgerückter Kupplungsverzahnung die Schaltmuffe nur die letztgenannte Stellung einneh- men kann. Diese bekannte Kupplung zeichnet sich dadurch aus, dass die Geradverzahnungen der Schalt muffe und die damit zusammenwirkenden Geradver- zahnun 'gen an jeweils mindestens einer der mitein ander zur Wirkung kommenden Stimflächen derart in tangentialer Richtung gegen die Vertikalebene zur Kupplungsachse geneigt sind,
dass bei ausge rückter Kupplungsverzahnung im Falle einer Axial- verschiebung der Schaltmuffe im Sinne einer Fest setzung desZwischengliedes infolge der gegenseitigen Berührung dieser Stirnflächen die Schaltmuffe eine Relativdrehbewegung mit Bezug auf das eine Kupp lungselement erfährt, wodurch das Zwischenglied wegen des Eingriffs seiner Geradverzahnung in die eine Geradverzahnung der Schaltmuffe in Richtung auf die Kupplungs-Eingriffsstellung züi verschraubt wird.
Die bei der zuerst in der Einleitung genannten Kupplung beschriebenen Nachteile treffen in vollem Masse und in der gleichen Weise auch für die zuletzt genannte Kupplung zu.
Die erfindungsgemässe Kupplung ist beispiels weise und schematisch in den Figuren dargestellt. Fig. <B>1</B> und 2 zeigen die obere linke und haupt sächlich die obere rechte Hälfte des Längsschnittes in Aussereingriffsstellung bzw. auch den Längsschnitt <B>11-11</B> der Fig. <B>5.</B>
Fior. <B>3</B> und 4 zeigen Querschnitte 111-Ill und VI-V1 C entsprechend der Fig. 1.
Fig. <B>5</B> zeigt den Querschnitt eines sonst nicht darg ,estellten Steuerventils und den entsprechenden Querschnitt V-V nach Fig. 2.
Fig. <B>6</B> und<B>7</B> zeigen die obere linke und haupt sächlich die obere rechte Hälfte des Längsschnittes in einer ersten Phase der Eingriffsstellung bzw. auch den Längsschnitt VII-VII der Fig. <B>10.</B>
Fig. <B>8</B> und<B>9</B> zeigen Querschnitte VIII-VIII und IX-IX entsprechend der Fig. <B>6.</B>
Fig. <B>10</B> zeigt den Querschnitt eines sonst nicht dargestellten Steuerventils und den entsprechenden Querschnitt X-X entsprechend Fig. <B>7.</B>
Fig. <B>11</B> und 12 zeigen die obere linke und obere rechte Hälfte des Längsschnittes in der beendeten Eingriffsstellung.
Fig. <B>13</B> zeigt eine Variante zum äussersten rechten Längsschnitt (obere Hälfte) der Fig. 2 und Fig. 14 eine Variante zum äussersten rechten Längsschnitt (obere Hälfte) der Fig. 12.
Das Kupplungszahnrad<B>1</B> ist fest verbunden mit der Welle eines Gasturbinenaggregats für den zu sätzlichen Antrieb eines Schiffes. Die Kupplungshülse 2 mit einer Innenverzahnung ist axial verschiebbar auf dem Kupplungszahnrad<B>1</B> und fest verbundbn mit einer zweiten Kupplungshülse<B>3,</B> die eine Innen verzahnung 4 und eine Hilfsinnenverzahnung <B>5</B> auf weist. Die beiden Kupplungshülsen 2 und<B>3</B> ergeben zusammen die Kupplungsmuffe. Das Kupplungs zahnrad<B>6</B> ist fest mit einem Zahnrad<B>7</B> eines Getriebes verbunden, das zu einer Dampfturbine als Hauptantrieb eines Schiffes gehört. Das Kupp lungszahnrad<B>6</B> bildet auch die zweite Kupplungs- hälfte.
Das Zahnrad<B>7</B> ist in den beiden Gleitlagern <B>8</B> und<B>9</B> des Getriebegehäuses<B>10</B> gelagert.
Der Flansch<B>11</B> ist zwischen den beiden Kupp lungshülsen 2 und<B>3</B> befestigt und dient als Axial- abstützung der Hülse 12. Der Flansch<B>13</B> ist fest mit Flansch<B>11</B> verbunden, dient ebenfalls zur Axial- abstützung der Hülse 12 als zentral angeordnetes Mittel sowie auch zu deren Radiallagerung. Die Hülse 12 ist fest mit dem Kolben 14 verbunden, der gleich zeitig als Steuerelement ausgebildet ist, wobei auch die weitere Hülse<B>15</B> dessen Bewegungen folgt, da in der Hülse 12 radial und axial gehalten. Zu deren axialen Halterung hilft auch die Scheibe<B>16</B> mit, die zwischen Hülse 12 und Kolben 14 geklemmt ist.
Der Kolbenzylinder<B>17</B> ist am Getriebegehäuse<B>10</B> be festigt und der Zylinderflansch<B>18</B> zusammen mit dem Flansch<B>19</B> am Kolbenzylinder<B>17</B> angesch#raubt. Der Verteilzapfen 20 ist mittels einer Schraube am Flansch<B>19</B> befestigt und ragt in den Kolben 14 hinein.
Am Flansch<B>13</B> ist ein weiterer Flansch 21, zu sammen mit der Muffe 22 und dem Flansch 24 befestigt. Die Muffe 22 trägt eine Aussenverzahnung <B>23,</B> die mit wesentlichem Flankenspiel in der Hilfs- innenverzahnung <B>5</B> der zweiten Hülse<B>3</B> liegt. In der Muffe 22 sitzt die geschlitzte und mit Kerb verzahnung<B>30</B> versehene Hülse<B>25,</B> deren Kerb verzahnung<B>30</B> in diejenige der Muffe 22 passt. In den Schlitzen der Hülse<B>25</B> liegen die Klinken<B>26</B> lose beweglich. Die Distanzhülse<B>27</B> sichert die Klinken <B>26</B> seitlich, gegen Verschiebung. Die Zwischenringe <B>28</B> und<B>29</B> sind fest mit den beiden Flanschen 21 und 24 verbunden und als Gleitlager ausgebildet.
Alle Kupplungsteile stützen sich über diese Gleit lager auf den Flanschring <B>35</B> und die Hülse<B>38</B> ab.
Die beiden Ringe<B>31</B> und<B>32,</B> als Kolben ausge bildet, sind axial verschiebbar und seitlich begrenzt durch die beiden Flansche 21 und 24, dichten am Innendurchmesser gegen die Zwischenringe<B>28</B> und <B>29</B> und arretieren die Klinken<B>26</B> bzw. beeinflussen deren Lage mittels den entsprechenden kegeligen Flächen<B>33</B> und 34. Zwischen und in den beiden Zwischenringen<B>28</B> und<B>29</B> ist der Flanschring <B>35</B> drehbar gelagert.
Dieser Flanschring <B>35</B> weist am Flanschteil eine Klinkenverzahnung<B>36</B> auf und am ringförmigen Teil eine Innenschraubverzahnung <B>37.</B> Die entsprechende Aussenschraubverzahnung <B>60</B> ist auf der Hülse<B>38,</B> als Zwischenglied ausgebildet, angebracht, die seitlich mit den damit fest verbun denen Ringen<B>39</B> und 40 gehalten ist. Die Schraub- verzahnung <B>37</B> und<B>60</B> ist einem Steilgewinde gleich zusetzen. Die Hülse<B>35</B> ist drehbar und längsver schiebbar auf Hülse<B>38</B> gelagert.
Die Hülse<B>38</B> ist im Ritzel <B>7</B> schraubbewegbar mittels Nute und Zapfen gelagert.
Die Schraubverzahnung <B>37</B> am Flanschring <B>35</B> und die Abschrägungen 41 und 42 an der Innen verzahnung 4 und dem Kupplungszahnrad<B>6</B> haben die gleiche Steigung. Die Steigung der Nute 43 in der Hülse<B>38</B> ist von den verschiedenen Radialspielen im Klinkenmechanismus und den Zahnkupplungs- eingriffen abhängig.
Zur Beschreibung der Wirkungsweise der Syn- ehronzahnkupplung ist angenommen, dass die Gas turbine im Stillstand ist und die Zahnkupplung,<B>d.</B> h. die Innenverzahnung 4 der zweiten Hülse<B>3</B> nicht in das Kupplungszahnrad<B>6</B> eingreift (Fig. <B>1,</B> 2,<B>3,</B> 4 und<B>5).</B> Die Dampfturbine rotiert und damit drehen auch das Kupplungszahnrad<B>6</B> und das Zahnrad<B>7</B> samt der Hülse<B>38</B> und dem Flanschring <B>35</B> in Richtung des Pfeiles 44. Die Klinken<B>26</B> können nicht in die Klinkenverzahnung<B>36</B> eingreifen, da sie von dieser ausser Eingriff gedrückt werden.
Ausser dem werden die Klinken<B>26</B> auch durch die kegeligen Flächen<B>33</B> und 34 der beiden Kolben<B>31</B> und<B>32</B> ausser Eingriff gehalten durch das Drucköl von mittlerem Druck, das durch den Kanal 45 einfliesst und gleichzeitig den Kolben 14 in der linken Stellung hält. Der Kanal 45 erhält das Druckül vom Steuer ventil 46 in Richtung der ausgezogenen Pfeile;<B>öl</B> mit niedrigerem Druck (= Niederdrucköl) füllt den Kanal 47 entsprechend den punktierten Pfeilen und den Kanal 48 entsprechend den strichpunktierten Linien. Zum Teil wird das<B>Öl</B> auch zum Schmieren verwendet. Gleichzeitig wird der linke Kolbenraum voll<B>Öl</B> behalten.
Die Kupplung wird in die Bereitschaftsstellung zum automatischen Synchronisieren und Eindrücken gebracht durch einfaches Umstellen des Steuerventils 46 nach Fig. <B>10.</B> Dabei erhält der Kanal 47 Drucköl, wodurch die beiden Kolben<B>31</B> und<B>32</B> mit den kege- ligen Flächen<B>33</B> und 34 von den Klinken<B>26</B> ab gehoben und diese frei werden. Beide Seiten des Kolbens 14 sind jetzt mit Niederdrucköl gefüllt. Da durch, dass die rechte Kolbenseite grösser ist als deren linke Seite, wirkt auf den Kolben eine Kraft nach links, die genügend gross ist, die Kupplung in ausgerückter Stellung sicher zu halten. Die Ringnute 49 ist nun mit Drucköl von mittlerem Druck gefüllt.
Die Ringnute<B>56</B> ist immer mit Niederdrucköl ge- spiesen, unabhängig von der Stellung des Ventils 46.
Mit oder nach dem Umstellen des Steuerventils 46 nach Fig. <B>10</B> beginnt die Inbetriebnahme der Gasturbine. Damit beginnen in Pfeilrichtung 44 zu drehen: Das Kupplungszahnrad<B>1,</B> die beiden Kupp lungshülsen 2 und<B>3</B> samt der Innenverzahnung 4 und der Hilfsinnenverzahnung <B>5,</B> die Flansche<B>11, 13</B> und 21, die Muffe 22 mit Aussenverzahnung<B>23,</B> der Flansch 24, die geschlitzte Hülse<B>25</B> mit Klinken<B>26</B> und Distanzhülse<B>27</B> sowie die Zwischenringe<B>28</B> und<B>29</B> samt den Kolben<B>31</B> und<B>32.</B> Kolben 14 und Hülsen 12 und<B>15</B> drehen nie, weder in eingerückter noch ausgerückter Stellung.
Sobald die Drehzahl der Gasturbine bzw. der Klinken<B>26</B> und der Muffe 22 eine gewisse Höhe erreicht, haben, werden durch die Zentrifugalkraft die Klinkenteile<B>51</B> nach aussen und die Klinkenteile<B>52</B> an die Klinkenverzahnung<B>36</B> des Flanschringes <B>35</B> gedrückt bzw. eingerückt, da der Klinkenteil<B>51</B> ein grösseres Moment bezüglich der Kippkante <B>53</B> erzeugt als der Klinkenteil<B>52.</B> Die Klinke kippt um den Drehpunkt<B>53.</B> Im Moment,
wo die Drehzahl der Muffe 22 etwas grösser wird als diejenige des Zahnrades<B>7</B> (bzw. des Kupplungszahn rades<B>6</B> und damit auch der Hülse<B>38</B> und des Flanschringes <B>35</B> mit der Klinkenverzahnung<B>36)</B> stösst die Kante des Klinkenteiles<B>52</B> eine der Klinken <B>36</B> gegen die Klinkenverzahnung und nimmt diese mit. Dadurch verdreht sich der Flanschring <B>35</B> in Richtung des Pfeiles 44 gegenüber der Hülse<B>38</B> und, verschraubt sich mittels der Schraübverzahnung <B>37</B> und<B>60</B> auf der Hülse<B>38</B> in eine Stellung, wie in den Fig. <B>6</B> bis<B>9</B> gezeigt.
Durch diese begrenzte Schraubbewegung des Flanschringes <B>35,</B> der auch die Muffe 22 und damit die aus Kupplungshülsen 2 und<B>3</B> bestehende Kupp lungsmuffe folgen, kommen die Zähne der Zahn kupplungen 4 und<B>6</B> in die in Fig. <B>6</B> strichpunktiert gezeichnete Anfangslage. Durch diese Bewegung, her vorgerufen durch eine der einrückenden Klinken<B>26,</B> verdrehen sich auch die beiden Kupplungshälften, bestehend aus den Kupplungszahnrädern <B>1</B> und<B>6</B> relativ gegeneinander in einer bestimmten Richtung.
Die axiale Komponente der Steilgewinde<B>-</B> bzw. Schraubbewegung der Kupplungsrauffe <B>-</B> bewirkt nun auch eine Axialbewegung über Flansch<B>11</B> auf die Hülse 12, die die Bewegung auf den Kolben 14 weiterleitet. Dabei muss der Differenzdruck am Kol ben 14 überwunden werden. Dieser Kolben ist durch dessen Ringnuten 54 und<B>55,</B> die in Abhängigkeit von den Ringnuten 49,<B>50</B> und,<B>56</B> im Verteilzapfen 20 angeordnet sind, als Steuerelement ausgebildet.
In der in den Fig. <B>6</B> bis<B>9</B> gezeichneten Zwischen stellung trifft die Ringnute 49, die nun vom Drucköl aus Kanal 47 gespiesen ist, auf die Ringnute 54 und verbindet mit dem linken Kolbenraum des Kolbens 1,4. Dadurch wird der Kolben 14 mittels des Druck öls,<B>d.</B> h. der ausgelösten Fremdkraft, vollständig nach rechts verschoben. Die Kanäle 45 und 48 sind nun mit Niederdrucköl gespiesen.
Durch diese Axialbewegung des Kolbens 14 wird über die Hülse 12, Flansch<B>11</B> und die Kupplungs hülse<B>3</B> mit der Innenverzahnung 4 ganz auf das Kupplungszahnrad<B>6</B> geschoben und damit die Zahn kupplung ganz eingerückt, wie in den Fig. <B>11</B> und 12 dargestellt. Damit ist die Verbindung zwischen treiben dem Kupplungszahnrad<B>1</B> und zusätzlich angetriebe nem Zahnrad<B>7</B> hergestellt, ohne dass das Drehmornent über die empfindlichen Teile von Klinken<B>26</B> und Steilgewinde bzw. Schraubverzahnung <B>37</B> und<B>60</B> geht.
Durch die schräge Nute 43 erfährt Hülse<B>38</B> und damit auch der Flanschring <B>35,</B> der die Klinken verzahnung<B>36</B> trägt, gegenüber dem Ritzel <B>7</B> und somit auch Kupplungszahnrad<B>6</B> eine leichte Ver drehung in Pfeilrichtung 44. Dadurch ergibt sich zwischen Klinken<B>26</B> und Klinkenverzahnung<B>36</B> eindeutig Spiel, so dass weder von den Klinken noch vom Steilgewinde ein Drehmoment übertragen wer den kann. Die empfindlichen Teile werden somit sicher entlastet.
Beim Auskuppeln wird nach der Wegnahme des Antriebs vom Kupplungszahnrad <B>1</B> das Steuerventil 46 auf Ausrücken nach Fig. <B>5</B> ge stellt, womit Drucköl über Kanal 45 in den rechten Kolbenraum des Kolbens 14 fliesst und diesen nach links drückt. Dadurch gehen sämtliche Teile wieder in die Lage nach den Fig. <B>1</B> bis 4 zurück, wobei die Klinken<B>26</B> durch die kegeligen Flächen<B>33</B> und 34 der Kolben<B>31</B> und<B>32</B> ausgerückt werden.
Es kann zweckmässig sein, wenn die Bewegungen und Lagen des Kolbens 14 und damit auch der zentral angeordneten Hülse 12 nicht nur hydraulisch vorgenommen, sondern auch mechanisch ausgeführt werden können, wie dies in den beiden Fig. <B>13</B> und 14 dargestellt ist. Die Fig. <B>13</B> zeigt die Ausser- eingriffstellung der Synchronzahnkupplung, gesichert mit dem Hebel<B>57,</B> der mittels des Bolzens<B>58</B> im Flansch<B>19</B> drehbar gelagert ist. Der Zapfen<B>59</B> greift in das rechte Ende des Kolbens 14 ein.
Die Fig. 14 zeigt die Ineingriffstellung der Kupp lung unter den analogen Annahmen. Die Anordnung nach den Fig. <B>13</B> und 14 hat auch dtn Vorteil, dass bei Ausfall von Drucköl die Kupplung im Stillstand mechanisch eingerückt werden kann und als normale von Hand schaltbare Zahnkupplung dienen kann.