DE102005013721A1

DE102005013721A1 - Flexible Ganzstahl-Lamellenkupplung

Info

Publication number: DE102005013721A1
Application number: DE200510013721
Authority: DE
Inventors: Robert Dipl.-Ing. Peters; Andre Dipl.-Ing. Jansen
Original assignee: A Friedrich Flender AG
Current assignee: Flender GmbH
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2006-09-28
Anticipated expiration: 2025-03-23
Also published as: DE102005013721B4

Abstract

Eine flexible Ganzstahl-Lamellenkupplung weist zwei jeweils auf benachbarten Enden von Wellenabschnitten eines Wellenstranges (4) befestigte flanschförmige Kupplungsteile (3) auf, zwischen deren Stirnseiten ein Spalt eingehalten ist. In dem Spalt sind ringförmig um die Drehachse des Wellenstranges (4) aus federnden Lamellen aufgebaute Lamellenpakete (6) angeordnet und die Lamellenpakete (6) wechselweise an den Kupplungsteilen (3) befestigt. Die Kupplungsteile (3) sind an ihrem Umfang mit vorzugsweise als Kugelgelenklager ausgebildeten Gelenklagern (8) versehen, und die Enden der Lamellenpakete (6) sind in den Gelenklagern befestigt.

Description

Die Erfindung betrifft eine flexible Ganzstahl-Lamellenkupplung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
Derartige Wellenkupplungen sind aus vielfältigen Konstruktionslösungen bekannt und dienen zum Ausgleich von Wellenverlagerungen in winkliger, radialer und axialer Richtung. Diese Wellenkupplungen verbinden zwei Wellen eines Wellenstranges über zwei flanschförmige Kupplungsteile, die sich auf benachbarten Wellenenden befinden. In dem stirnseitigen Spalt zwischen den Kupplungsflanschen der Kupplungsteile sind mehrere Lamellenpakete ringförmig um die ideale Achse des Wellenstranges angeordnet. Die meist einstückigen Lamellenpakete bestehen aus mehreren Lagen federnder, länglicher und dünner Blechstreifen. Sie werden auch Laschenlamellen genannt. An den Enden sind Durchgangslöcher für eine Passschraubenverbindung oder eine Konusverschraubung eingebracht. Die Lamellenpakete sind an den Enden wechselweise an die gegenüberliegenden Kupplungsflansche angeschraubt. In leichteren Anwendungsfällen werden die Enden zweier benachbarter Lamellenpakete übereinandergelegt und von der Klemmverbindung am Kupplungsflansch fixiert. In schweren Anwendungsfällen hingegen ist jedes Ende eines Lamellenpakets einzeln mit einer Schraubverbindung an den Kupplungsflansch geschraubt. Daneben sind auch ringförmige Lamellenpakete (Ringlamellen) bekannt, die ebenfalls mit Durchgangslöchern versehen sind und abwechselnd an den beiden Kupplungsflanschen befestigt sind.
Um den zulässigen Axial-, Radial- und Winkelversatz zu vergrößern, sind die flexiblen Ganzstahl-Lamellenkupplungen meist als kardanische Doppelkupplungen ausgeführt ( DE 198 39 400 A1 ). Hier befindet sich zwischen den flanschförmigen Kupplungsteilen auf den Wellenabschnitten des Wellenstranges noch ein zusätzliches Zwischenstück, das jeweils an den ebenfalls flanschförmig ausgeführten Enden beidseitig über Lamellenpakete in den Wellenstrang eingefügt ist.
Bei allen bekannten Lamellenkupplungen sind die Lamellenpakete mittelbar oder unmittelbar zwischen dem Schraubenkopf und dem Kupplungsflansch starr eingeklemmt und bilden folglich eine feste Einspannung. Somit bestimmt die räumliche Lage des Kupplungsflanschs auch die anfängliche Ausrichtung der Lamellenpakete.
Der durch die Lamellenkupplung bewirkte Ausgleich der Wellenverlagerungen wird über die Biegung der Lamellenpakete erreicht. Die starre und feste Einspannung erfordert möglichst lange Lamellenpakete, um eine geforderte Durchbiegung zu erreichen. Längere Lamellenpakete führen zu einer nachteiligen radialen Vergrößerung der Abmessungen der Lamellenkupplung. Die starre und feste Art der Einspannung hat den weiteren Nachteil, dass der erwünschte Ausgleich von großen Versätzen zwischen den Wellen des Wellenstranges auch von der Länge des Zwischenstücks abhängt. Als unmittelbare nachteilige Folge des axial langen Zwischenstücks vergrößert sich auch der axial benötigte Bauraum. Zudem bildet jeder Wellenstrang ein schwingungsfähiges System, in dem die einzelnen Kupplungselemente als verkettete Federn wirken. Grundsätzlich ist eine hohe Steifigkeit der Elemente durch kurzbauende Bauteile anzustreben. Diese Forderung wirkt aber der Verlagerungsfähigkeit entgegen.
Aus der DE 196 14 267 A1 ist ein elastisches, axial- und winkelbewegliches, aus zwei Kupplungen bestehendes Kupplungssystem bekannt, bei dem zusätzlich zu den Lamellenpaketen einer ersten Kupplung eine Bolzenkupplung mit Gummipuffern vorgesehen ist. Die Bolzenkupplung soll nur Drehmomentenstöße und Drehschwingungen dämpfen. Sie ist deshalb funktional und konstruktiv vollständig von der ersten Kupplung mit den starr eingespannten Lamellenpaketen getrennt.
Daneben sind elastische Kugelgelenklager bekannt, die auch die Bezeichnung Sphärolager tragen. Diese Bauelemente bestehen aus einer inneren metallischen Achse und einem äußeren metallischen Zylinder sowie einer verbindenden Zwischenschicht aus einem elastischen Gummiwerkstoff, der an beide Metallteile fest anvulkanisiert ist. Übliche Anwendungsfälle sind die Lagerung von quasi unbeweglichen Verbindungsstangen oder Hebeln zur Abstützung von Kräften aus Maschinen oder Anlagen auf einem festen Fundament mit einer schwingungstechnisch erwünschten Dämpfung.
Aus der DE 29 02 991 A1 ist eine drehelastische Wellenkupplung mit biege- und torsionssteifen Lenkern bekannt. Diese Lenker sind über Kugelgelenke mit den Kupplungshälften verbunden. Die bekannte Wellenkupplung lässt somit nur den Ausgleich eines Achsversatzes im Antriebsstrang zu. Dieser Versatz entsteht immer dort, wo die Wellen eines Antriebsstrangs zusätzlich zur Drehbewegung in einer Ebene senkrecht zur Drehachse ausgelenkt werden. Die biege- und torsionssteifen Lenker stellen zwischen diesen parallel verschobenen Wellen als einfache Schwingen die Verbindung her und können keine zusätzlichen Axial- und Winkelabweichungen ausgleichen und werden auch nicht federnd gebogen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße flexible Ganzstahl-Lamellenkupplung derart zu verbessern, dass eine große Verlagerungsfähigkeit bei gleichzeitig einer hohen Steifigkeit, eines hinreichend elastischen Verhaltens während der Übertragung der Drehbewegung und bei geringen radialen und axialen Abmessungen erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kupplung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Lamellenkupplung baut im Vergleich zu den bekannten Lamellenkupplungen radial kleiner. Die Verschiebungsfähigkeit der Lamellenkupplung wird durch die gemeinsame Verwendung der Laschenlamellen und deren gelenkigen Lagerung am Einspannpunkt zum Ausgleich der Wellenverlagerung erreicht. Die Abstimmung der Lamellenpakete und der Gelenklager aufeinander ermöglicht die Verwendung kürzerer Lamellenpakete. Als besonders vorteilhaft hat sich die Aufteilung der Verlagerungsanteile zu gleichen Teilen (50:50) herausgestellt. Die gummigelagerten Kugelgelenklager ermöglichen eine schnellere „Federung" in den Lamellen, so dass in der Wellenkupplung eine Drehwinkelabweichung solange gedämpft bzw. gespeichert wird, bis sich der Drehfehler von selbst behebt.
Mehrere Ausführungsbeispiele sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. Es zeigen:
1 in perspektivischer Ansicht eine Ganzstahl-Lamellenkupplung gemäß dem Stand der Technik,
2 die Verbindung eines Lamellenpaketes mit den Kupplungsteilen einer Ganzstahl-Lamellenkupplung gemäß dem Stand der Technik im ausgelenkten Zustand,
3 die Verbindung eines Lamellenpaketes mit den Kupplungsteilen einer Ganzstahl-Lamellenkupplung gemäß der Erfindung im ausgelenkten Zustand,
4 die teilweise als Schnitt dargestellte Seitenansicht einer Ganzstahl-Lamellenkupplung im Einbauzustand gemäß einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung und
5 eine Ansicht auf die Ganzstahl-Lamellenkupplung gemäß 4 in axialer Richtung.
Die nachfolgend beschriebenen Lamellenkupplungen dienen zum Ausgleich der Verlagerungen von Wellenabschnitten eines Wellenstranges 4, die im Betriebszustand einen Radial-, Axial- oder Winkelversatz aufweisen können.
Die in 1 dargestellte doppelgelenkige Lamellenkupplung nach dem Stand der Technik ist als Ganzstahl-Lamellenkupplung ausgebildet und weist zwei Einzelkupplungen 1 auf, die durch eine Hülse 2 als Zwischenstück miteinander verbunden sind. Die links gezeigte Einzelkupplung 1 befindet sich im Einbauzustand, die rechts gezeigte Einzelkupplung 1 befindet sich im Montagezustand. Jede der Einzelkupplungen 1 besteht aus zwei Kupplungsteilen 3, die auf benachbarten Enden zweier Wellenabschnitte eines Wellenstranges 4 drehfest befestigt sind. Die Kupplungsteile 3 und die Hülse 2 sind mit einem Kupplungsflansch 5 versehen, wobei zwischen zwei benachbarten Kupplungsflanschen 5 ein Spalt eingehalten ist. In dem Spalt zwischen den Kupplungsflanschen 5 sind Lamellenpakete 6 mit Lamellen angeordnet, die aus mehreren Lagen dünner, federnder Blechstreifen aus Federstahl bestehen und eine Einheit bilden. Die Lamellen können, wie in 1 dargestellt, aus Ringlamellen bestehen. Die Lamellen können auch, wie in den übrigen Figuren gezeigt, als Laschenlamellen ausgebildet sein, die die Achse des Wellenstranges 4 ringförmig umgeben.
Die beiden Enden eines aus Laschenlamellen bestehenden Lamellenpaketes 6 sind jeweils mit einem der beiden Kupplungsflansche 5 der Kupplungsteile 3 verbunden (2).
Dazu klemmt beispielsweise eine Passschraube 7 das Lamellenpaket 6 zwischen dem Schraubenkopf und der Stirnseite des Kupplungsflansches 5 ein. Die aufeinander folgenden Lamellenpakete 6 sind in wechselnder Reihenfolge jeweils mit dem rechten und linken Kupplungsflansch 5 verbunden.
Unabhängig von einer bekannten Vielzahl unterschiedlich gestalteter Lamellenpakete 6 und Arten der Klemmbefestigung weisen alle bekannten Kupplungsbauarten an dieser Stelle eine feste Einspannung auf (2). Diese feste Einspannung legt den Winkel zwischen der Achse der Passschraube 7 und der Stirnseite des Kupplungsflansches 5 auf genau 90° fest. Eine Auslenkung der Lamellenlaschen kann deshalb erst in einem gewissen Abstand zum Einspannpunkt erfolgen.
Bestimmungsgemäß sollen sich die Lamellenpakete 6 aber hauptsächlich durch Biegung verformen können, um Ungenauigkeiten in der Ausrichtung der Wellenabschnitte des Wellenstranges 4 zueinander auszugleichen. Bei einer erforderlichen Zugfestigkeit und maximalen Auslenkung müssen die Lamellenpakete 6 deshalb relativ lang gestaltet werden. Daraus ergibt sich der Nachteil, dass sich die Lamellenpakete 6 nur mit einem großen Abstand zur Drehachse des Wellenstranges 4 ringförmig zwischen den Kupplungsflanschen 5 anordnen lassen. Die Lamellenkupplung wird radial größer und schwerer.
Die 3 zeigt in einer vereinfachten Darstellung die grundlegende Idee der Erfindung. Die Lamellenkupplung besteht ebenfalls aus zwei Kupplungsflanschen 5, die auf den Wellenabschnitten des Wellenstranges 4 angebracht sind. Die Lamellenpakete 6 sind aber im Unterschied zum Stand der Technik gelenkig an den Kupplungsflanschen 5 in Gelenklagern abgestützt, die vorzugsweise als Kugelgelenklager 8 ausgebildet sind. Diese Kugelgelenklager 8 ermöglichen eine lastabhängige Winkeleinstellung am Lagerungspunkt, die sich von dem unveränderbaren Winkel von 90° in den bekannten Kupplungen unterscheidet. Die Gegenüberstellung der 2 und 3 zeigt, dass das in 3 gezeigte Lamellenpaket 6 weniger gebogen wird. Aus der geringeren Ausbiegung des Lamellenpaketes 6 ergibt sich damit die Möglichkeit, kürzere Lamellenpakete 6 einzusetzen.
Bei der in 4 im normalen Einbauzustand dargestellten erfindungsgemäßen Ganzstahl-Lamellenkupplung ist zwischen den beiden Kupplungsflanschen 5 eine Zwischenscheibe 9 mit flanschförmigen abgekröpften Enden als eine weitere Kupplungsebene eingefügt. Die Enden der Zwischenscheibe 9 nehmen ebenfalls Kugelgelenklager 8 auf. Dadurch entsteht eine doppelgelenkige kardanische Lamellenkupplung. Die Zwischenscheibe 9 kann in einer vorteilhaften Abwandlung auch geteilt oder länger gebaut werden, um damit besondere schwingungstechnische Anforderungen zu erfüllen oder eine noch größere Verlagerungsfähigkeit herzustellen. Die in 4 gezeigte Zwischenscheibe 9 ist radial in zwei Flanschscheiben geteilt, die durch eine Schraubverbindung 16 lösbar miteinander verbunden sind.
Die Kugelgelenklager 8 in der Zwischenscheibe 9 und in den Kupplungsflanschen 5 der Kupplungsteile 3 sind spiegelbildlich zu einer durch die Zwischenscheibe 9 verlaufenden radialen Ebene angeordnet. Auf den von einander wegweisenden Seiten der Kupplungsteile 3 sind die aus den Laschenlamellen bestehenden Lamellenpakete 6 abwechselnd mit einem Kugelgelenklager 8 in einem der Kupplungsflansche 5 der Kupplungsteile 3 und mit einem Kugelgelenklager 8 in der Zwischenscheibe 9 verbunden. Wie in der 5 gezeigt wird, ist jedes aus Laschenlamellen aufgebaute Lamellenpaket 6 einzeln in zwei Kugelgelenklagern 8 gelagert. Die erforderliche Winkeleinstellbeweglichkeit lässt sich nur durch diese Anordnung vollständig nutzen.
Bei der in 5 dargestellten Ausführungsform ist die Drehachse des Wellenstranges 4 von vier aus Laschenlamellen bestehenden Lamellenpaketen 6 umgeben. Für Anwendungsfälle mit erschwerten Bedingungen können auch sechs solcher Lamellenpakete 6 vorgesehen werden.
Die Kugelgelenklager 8 sind in den 4 und 5 im normalen unausgelenkten Einbauzustand abgebildet. Die Kugelgelenklager 8 bestehen aus einer Kugelachse 10, einer umschließenden Gummieinlage 11 und einem metallischen Außenring 12. Zwischen diesen Teilen besteht aufgrund der Vulkanisierung der Gummieinlage 11 eine stoffschlüssige Verbindung. Die Winkelbeweglichkeit des Kugelgelenklagers 8 hängt somit ausschließlich von den elastischen Eigenschaften der Gummieinlage 11 ab. Die Lamellenpakete 6 sind in dieser Ausführungsform mit einer Konusaufnahme 13 auf der Kugelachse 10 angebracht. Die erforderliche Klemmkraft erzeugt eine Schraube 14. Der Außenring 12 sitzt mit einer Presspassung in den Durchgangslöchern der Kupplungsteile 3 und der Zwischenscheibe 9. Sicherungsringe 15 verhindern die axiale Verschiebung. Im Gegensatz zu der in 3 dargestellten Ausführungsform weisen die Köpfe der Schrauben 14 nach außen und ermöglichen eine problemlose Montage der erfindungsgemäßen flexiblen Ganzstahl-Lamellenkupplung. In vorteilhafter Weise verringert sich dadurch der axiale Platzbedarf.
Die einzelnen Komponenten der Kugelgelenklager 8 sind für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Lamellenkupplung auf die Betriebsbedingungen angepasst. Insbesondere lassen sich über die Härteeigenschaften der Gummimischung der Gummieinlage 11 die Verformungsfähigkeit und die Lebensdauer der Lamellenkupplung einstellen. Grundsätzlich bewirken die elastischen Eigenschaften der Gummieinlage 11 ein torsionsweicheres und rückstellkraftarmes Betriebsverhalten der Lamellenkupplung. Bei richtiger, zweckmäßiger Abstimmung der Verlagerungselemente Lamellenpaket 6 und Kugelgelenklager 8 lassen sich ebenfalls die bekannten Vorzüge der flexiblen Ganzstahl-Lamellenkupplungen von Verdrehsteifigkeit und Wartungsfreiheit erreichen.
Die Kugelgelenklager 8 sind aus der Gruppe der winkeleinstellbeweglichen Dämpfungslagerungen für den Einsatz in einer flexiblen Ganzstahl-Lamellenkupplung besonders geeignet. Andere Bauformen von Gelenklagern mit zylindrischen oder konischen Achsen erfüllen die gestellte Aufgabe in vergleichbarer Weise. Sie lassen sich deshalb ebenfalls für diesen Einsatzfall verwenden.

Claims

Flexible Ganzstahl-Lamellenkupplung mit zwei jeweils auf benachbarten Enden von Wellenabschnitten eines Wellenstranges (4) befestigten flanschförmigen Kupplungsteilen (3), zwischen deren Stirnseiten ein Spalt eingehalten ist, in dem Lamellenpakete (6) aus federnden Lamellen ringförmig um die Drehachse des Wellenstranges (4) angeordnet sind, wobei die Lamellenpakete (6) wechselweise an den Kupplungsteilen (3) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsteile (3) an ihrem Umfang mit Gelenklagern (8) versehen sind und dass die Enden der Lamellenpakete (6) in den Gelenklagern (8) befestigt sind.
Ganzstahl-Lamellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kupplungsteilen (3) eine Zwischenscheibe (9) mit flanschförmig ausgebildeten Enden angeordnet ist, die mit Gelenklagern versehen ist, dass in den Spalten zwischen der Zwischenscheibe (9) und jeweils einem Kupplungsteil (3) Lamellenpakete (6) angeordnet sind und dass die Enden der Lamellenpakete (6) wechselweise mit den Gelenklagern in der Zwischenscheibe (9) und dem benachbarten Kupplungsteil (3) verbunden sind.
Ganzstahl-Lamellenkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenklager (8) in der Zwischenscheibe (9) und in den Kupplungsflanschen (5) der Kupplungsteile (3) spiegelbildlich zu einer durch die Zwischenscheibe (9) verlaufenden radialen Ebene angeordnet sind.
Ganzstahl-Lamellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenklager (8) als Kugelgelenklager ausgebildet sind.
Ganzstahl-Lamellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugelachse (10) der Gelenklager (8) von einer Gummieinlage (11) umschlossen sind.
Ganzstahl-Lamellenkupplung nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Lamellenpaket (6) in zwei Gelenklagern (8) einzeln gelagert ist.
Ganzstahl-Lamellenkupplung nach einem der Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenscheibe (9) radial in zwei über eine Schraubverbindung (16) lösbar miteinander verbundenen Flanschscheiben geteilt ist.