DE102005047305A1

DE102005047305A1 - Wellenkupplung

Info

Publication number: DE102005047305A1
Application number: DE102005047305A
Authority: DE
Inventors: Bernd Peter; Andreas Lenz; Klaus Dipl.-Ing. Willwerth
Original assignee: Maschinenfabrik Monninghoff & Co KG GmbH; Maschinenfabrik Mönninghoff GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Monninghoff & Co KG GmbH; Maschinenfabrik Mönninghoff GmbH and Co KG
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-10-01
Also published as: DE102005047305B4

Abstract

Eine Wellenkupplung mit einer ersten Kupplungshälfte (2) und einer zweiten Kupplungshälfte (3) weist erste und zweite Ausgleichselemente (14, 15) auf, die durch ein Drehmoment übertragendes Mittelstück (8) miteinander gekoppelt sind. Das Mittelstück (8) weist eine mit dem ersten Ausgleichselement (14) verbundene innenverzahnte Kupplungshülse (16) sowie eine mit dem zweiten Ausgleichselement (15) verbundene außenverzahnte Kupplungsnabe (17) auf. Die Innenverzahnung (18) der Kupplungshülse (16) ist mit der Außenverzahnung (19) der Kupplungsnabe (17) durch Verschieben in Axialrichtung in Eingriff bringbar. Es sind an der Kupplungsnabe (17) und der Kupplungshülse (16) Zentriermittel (20) vorgesehen, die zur axialen Zentrierung der Innenverzahnung (18) gegenüber der Außenverzahnung (19) vor dem gegenseitigen Eingriff der Verzahnungen dienen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wellenkupplung mit den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Der Ausgleich von Wellenverlagerungen wird durch Wellenkupplungen erreicht, die in zahlreichen Konstruktionsformen bekannt sind und je nach Bauweise geeignet sind, axiale, radiale und/oder winklige Wellenverlagerungen auszugleichen. Zu der Gruppe der Ausgleichskupplungen zählen z.B. Membrankupplungen, das heißt Kupplungen, bei denen ein oder mehrere metallelastische Elemente als Ausgleichselemente vorgesehen sind. Unter Membranen oder Membranteilen sind technisch gesehen dünne biegeweiche Metallbleche zu verstehen. Membrankupplungen bestehen aus einer ersten und einer zweiten Kupplungshälfte, die in der Regel als Nabe ausgebildet sind und an denen miteinander zu kuppelnde Wellenenden befestigt werden. An die Kupplungshälften schließen sich Membranteile an, über welche die Kupplungshälften winkelelastisch miteinander verbunden sind. In Doppelanordnung sind die Membranteile über ein Drehmoment übertragendes Mittelstück miteinander gekoppelt.
Da die Kupplungshälften fest mit den Wellenenden verbunden sein müssen, ist für den Einbau ein entsprechender Montagefreiraum erforderlich. Es gibt Anwendungsfälle, bei denen die Verwendung einer drehstarren Wellenkupplung wünschenswert ist, eine solche aufgrund des beschränkten Montageraums allerdings in der Praxis nicht montierbar ist. In diesen Fällen könnten stirnverzahnte Kupplungen zum Einsatz kommen. Stirnverzahnungen erfordern allerdings die Aufrechterhaltung einer bestimmten Axialkraft, um die Drehmomentübertragung gewährleisten zu können. Es sind auch steckbare Wellenkupplungen bekannt mit einer konisch zulaufenden Kupplungsnabe, die in eine gegengleich ausgebildete Kupplungshülse eingreift. Zwischen Kupplungshülse und Kupplungsnabe erfolgt die Drehmomentübertragung durch umfangsseitig angeordnete Mitnehmernocken. Zwar wird bei dieser Bauform eine Blindmontage durch einfaches Ineinanderstecken möglich, allerdings muss auch hierbei eine axiale Vorspannung aufrecht erhalten werden, um eine hinreichende, und vor allem spielarme Drehmomentübertragung zu gewährleisten. Zudem ist eine Konusfläche mit umfangsseitigen Nocken fertigungstechnisch relativ aufwendig. Es müssen unter Umständen Gussteile verwendet werden, die entsprechende Formen voraussetzen. Eine ausschließlich spanende Bearbeitung ist kaum wirtschaftlich möglich. Dies ist ein Nachteil herkömmlicher axial zusammensteckbarer drehstarrer Wellenkupplungen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Wellenkupplung mit zwei Ausgleichselementen und einem die Ausgleichselemente verbindenden Mittelstück aufzuzeigen, die einfach in der Fertigung ist und zudem eine besonders einfache Montage auch in schlecht zugänglichen Bereichen ermöglicht.
Diese Aufgabe ist bei einer Wellenkupplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Wellenkupplung umfasst das Mittelstück eine mit dem ersten Ausgleichselement verbundene, innenverzahnte Kupplungshülse sowie eine mit dem zweiten Ausgleichselement verbundene außenverzahnte Kupplungsnabe. Die Innenverzahnung der Kupplungshülse ist mit der Außenverzahnung der Kupplungsnabe durch Verschieben in Axialrichtung in Eingriff bringbar, so dass eine Drehmomentübertragung ermöglicht wird. Eine axiale Vorspannung muss zur Drehmomentübertragung nicht aufgebracht und auch nicht aufrechterhalten werden. Die Drehmomentübertragung zwischen der Außen- und Innenverzahnung erfolgt frei von Axialkräften. Ein wesentlicher Aspekt der erfindungsgemäßen Wellenkupplung ist, dass an der Kupplungsnabe und der Kupplungshülse Zentriermittel vorgesehen sind, damit die Innenverzahnung gegenüber der Außenverzahnung vor dem gegenseitigen Eingriff der Verzahnungen axial zentriert wird.
Mit der Erfindung ist es möglich, die Wellenkupplung in schwer zugänglichen Anordnungen zu montieren und damit überhaupt den Einsatz einer Wellenkupplung dieses Typs zu ermöglichen. Die erfindungsgemäße Wellenkupplung ist frei von axialen Vorspannungen und ist daher hervorragend dafür geeignet, einen axialen Versatz auszugleichen. Die Montagetoleranzen können größer gewählt werden und die Lagerungen der Wellen müssen weniger Axialkräfte aufnehmen. Darüber hinaus ist eine rein spanabhebende Bearbeitung zur Herstellung der Verzahnungen möglich. Bei der Verzahnung handelt es sich vorzugsweise um eine Zahnwellenverbindung. Durch die Vielzahl von Zähnen können besonders große und stoßweise wirkende Kräfte übertragen werden, so dass sich Zahnprofile besonders gut für schmale Nabenverbindungen eignen, wie es bei der erfindungsgemäßen Wellenkupplung der Fall ist. Derartige Verzahnungen lassen sich im Abwälzverfahren ausgesprochen wirtschaftlich herstellen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Wellenkupplung ist es, dass die Zentriermittel bei entsprechender Dimensionierung und bei eng gewählten Toleranzen einen Winkelversatz zwischen der Kupplungshülse und der Kupplungsnabe und daher zwischen der Außen- und Innenverzahnung ausgleichen können. Hierdurch wird die Verzahnung entlastet.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
In einer ersten Ausführungsform sind die Zentriermittel von einem der Außenverzahnung in Axialrichtung vorgelagerten Zentrierabsatz und einer auf den Durchmesser des Zentrierabsatzes abgestimmten Zentrieraufnahme an der Kupplungshülse gebildet. Der Zentrierabsatz ist vorzugsweise ein einfacher Wellenabsatz, der sich von der Stirnseite der Außenverzahnung mit gegenüber der Außenverzahnung reduziertem Durchmesser in Richtung auf die andere Kupplungshälfte erstreckt, wo die Zentrieraufnahme angeordnet ist. Vorzugsweise umgreift die Zentrieraufnahme den Zentrierabsatz außenseitig, so dass der innere Bereich der Wellenkupplung frei bleibt. Dadurch kann Material und Gewicht eingespart werden. Im Bereich der Innenverzahnung und im Bereich des Zentrierabsatzes kann daher der gleiche Innendurchmesser beibehalten werden.
Grundsätzlich ist auch die umgekehrte Anordnung denkbar, das heißt, dass die Zentriermittel von einem der Innenverzahnung in Axialrichtung vorgelagerten Zentrierabsatz und von einer auf den Durchmesser des Zentrierabsatzes abgestimmten Zentrieraufnahme gebildet sind. Eine dritte denkbare Variante ist, dass die Zentriermittel einen die Außenverzahnung im radialen Abstand umgebenden Zentrierring umfassen, welcher gegenüber einem Zentrierkragen an der Kupplungshülse zentrierbar ist.
Es wird als besonders zweckmäßig angesehen, wenn wenigstens eines der in Eingriff zu bringenden Zentriermittel eine Einführschräge oder eine Einführrundung aufweist. Eine solche Einführhilfe ist besonders bei größeren Bauformen und sehr biegeweichen Ausgleichselementen zweckmäßig, da die Kupplungshülse und die Kupplungsnabe durch ihr Eigengewicht in einem Winkel zueinander stehen können, der für ein axiales Ineinanderschieben ohne Einführhilfe problematisch sein kann. Durch eine entsprechende Anfasung oder Rundung können diese Winkelstellungen, die im Übrigen auch auf einen Winkelversatz der Wellen zurückzuführen sein können, ausgeglichen werden.
Die Kupplungshülse und die Kupplungsnabe können grundsätzlich aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sein. Bevorzugt sind metallische Werkstoffe wie Stahl, Stahllegierungen sowie Leichtmetallbaustoffe, wie Aluminium zur Herstellung der Kupplungshülse und Kupplungsnabe vorgesehen. Prinzipiell eignen sich aber auch nichtmetallische Werkstoffe, wie entsprechende Kunststoffe oder auch Hybridmaterialien, das heißt Metall-Kunststoff-Verbindungen entsprechender Festigkeit. Durch geeignete Materialwahl kann gegebenenfalls eine Selbstschmierung der Verzahnung erreicht werden, sofern diese gewünscht ist. Darüber hinaus können auch elektrisch oder thermisch isolierende Materialien zum Einsatz kommen. Zur elektrischen Entkopplung können die Kupplungshülse und/oder die Kupplungsnabe zumindest in ihren gegenseitigen Kontaktbereichen mit einer entsprechenden Beschichtung versehen sein.
Die Ausgleichselemente können je nach Anforderung an die Kupplung aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sein. Insbesondere handelt es sich bei den Ausgleichselementen um elastische Metallmembranen. Eine solche Wellenkupplung wäre als steckbare Membrankupplung zu bezeichnen. Als Ausgleichselement kommen aber auch elastomere Werkstoffe in Frage sowie Verbundwerkstoffe, insbesondere Faserverbundwerkstoffe, wie z. B. GFK- oder CFK-Werkstoffe.
Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Wellenkupplung ist, dass die Kupplungshülse und die Kupplungsnabe in der Einbaulage axialvorspannungsfrei montiert werden. Durch eine zylindrische und nicht konische oder kegelige Außenkontur der Verzahnung ist grundsätzlich eine ungehinderte Axialverschiebung möglich, ohne dass bei entsprechender Überlappung der Außenverzahnung mit der Innenverzahnung eine Überlastung der Wellenkupplung oder die Zunahme des Spiels zu erwarten ist. Selbstverständlich kann die Axialverschiebung nur in vorher festgelegten Toleranzbereichen erfolgen. Entscheidend ist jedoch, dass diese Toleranzbereiche relativ groß gewählt werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Wellenkupplung in einer möglichen Einbaulage im Längsschnitt und
2 die Wellenkupplung der 1 in vergrößerter Darstellung.
1 zeigt eine Wellenkupplung 1 mit einer ersten Kupplungshälfte 2 und einer zweiten Kupplungshälfte 3. Die erste Kupplungshälfte 2 ist an einem Wellenende 4 einer Abtriebswelle befestigt, wie beispielsweise einer Getriebewelle. Die zweite Kupplungshälfte 3 ist auf einem Wellenende 5 einer Antriebswelle befestigt. Die Antriebswelle ist Bestandteil eines Elektromotors 6, der an ein Getriebegehäuse 7 angeflanscht ist. Die Wellenkupplung 1 befindet sich in der Einbaulage vollständig innerhalb des Getriebegehäuses 7 und ist nach dem Anschrauben des Elektromotors 6 am Getriebegehäuse 7 von außen nicht zugänglich. Die Wellenkupplung 1 ist daher als Steckkupplung ausgebildet, die blind, das heißt ohne Zuhilfenahme von Werkzeugen und ohne Sichtkontrolle montierbar ist. Zu diesem Zweck ist ein Mittelstück 8 in Axialrichtung steckbar ausgebildet und mit einer entsprechenden Verzahnung zur Drehmomentübertragung versehen. Zur Montage der Wellenkupplung wird zunächst die erste Kupplungshälfte 2 an dem Wellenende 4 fixiert. Die erste Kupplungshälfte 2 besitzt einen Wellenflansch 9, welcher über einen zentralen Schraubbolzen 10 gegen die Stirnseite des Wellenendes 4 gespannt wird. Der Schraubbolzen 10 kann jedoch keine Drehmomente übertragen, sondern dient lediglich zur axialen Fixierung an dem Wellenende 4. Die Drehmomentübertragung erfolgt über zusätzliche Schraubbolzen 11, über welche der Wellenflansch 9 mit einem Zahnrad 12 verschraubt ist. Das Zahnrad 12 ist in nicht näher dargestellter Weise verdrehfest auf dem Wellenende 4 fixiert. Der Vorteil eines derartig konfigurierten Wellenflansches 9 ist, dass umfangsseitig des Wellenflansches 9 kein Montageraum erforderlich ist. Die Befestigung und ein gegebenenfalls erforderlich werdender Austausch der Wellenkupplung 1 kann durch axiales Einführen von Werkzeugen in das Getriebegehäuse 7 erfolgen. Bei der Montage der zweiten Kupplungshälfte 3 an dem Wellenende 5 des Elektromotors steht mehr Montageraum zur Verfügung. Dadurch kann die zweite Kupplungshälfte 3 eine Kupplungsnabe bekannter Bauform aufweisen, die über eine Passfeder 13 und radial eingesetzte Schrauben verdrehsicher an dem Wellenende 5 fixiert wird. Mit den derart vormontierten Kupplungshälften 2, 3 sind jeweils erste und zweite Ausgleichselemente 14, 15 verschraubt, die in diesem Ausführungsbeispiel als mehrlagiges Blechpaket, d.h. als Membranteile ausgebildet sind. Die ersten und zweiten Ausgleichselemente 14, 15 sind über das steckbare Mittelstück 8 miteinander gekoppelt. Einzelheiten der Wellenkupplung werden nachfolgend anhand der vergrößerten Darstellung der 2 erläutert.
Wesentlich für die Funktionsweise und die Montage der Wellenkupplung ist die Konfiguration des Mittelstücks 8. Das Mittelstück 8 umfasst eine mit dem ersten Ausgleichselement 14 verbundene innenverzahnte Kupplungshülse 16 sowie eine mit dem zweiten Ausgleichselement 15 verbundene außenverzahnte Kupplungsnabe 17. Die Innenverzahnung 18 der Kupplungshülse 16 kann mit der Außenverzahnung 19 der Kupplungsnabe 17 durch Verschieben in Axialrichtung in Eingriff gebracht werden. Es handelt sich bei der Innenverzahnung 18 und der Außenverzahnung 19 z.B. um eine Keilwellenverbindung, wobei die einzelnen Keile bzw. Zähne prinzipiell wie Passfedern beansprucht werden. Grundsätzlich sind jedoch unterschiedliche Zahnprofile denkbar, wie Kerbzahnprofile oder Evolventenzahnprofile. Wesentlich ist lediglich, dass die drehstarre Wellenkupplung axial vorspannungsfrei montierbar ist, das heißt, dass die Verzahnung keine Axialkraft benötigt, um in Eingriff gehalten zu werden.
Wichtig für die einfache Montage der Wellenkupplung 1 sind Zentriermittel 20. Die Zentriermittel 20 umfassen in diesem Ausführungsbeispiel einen der Außenverzahnung 19 in Axialrichtung vorgelagerten Zentrierabsatz 21 und eine auf den Durchmesser des Zentrierabsatzes 21 abgestimmte Zentrieraufnahme 22 an der Kupplungshülse 16. Der Zentrierabsatz 21 weist stirnseitig eine Einführschräge 23 auf, die von einer außen umlaufenden Anfasung gebildet ist. Von Bedeutung für die Erfindung ist, dass der Zentrierabsatz 21 hinreichend lang gestaltet ist, so dass die Zentrierung innerhalb der Zentrieraufnahme 22 noch vor dem Ineinandergreifen der Innenverzahnung 18 und der Außenverzahnung 19 erfolgt. Daher ist der Zentrierabsatz 21 etwas länger gestaltet als die Innenverzahnung 18 bzw. die Außenverzahnung 19. In der dargestellten Position greifen Außenverzahnung 19 und Innenverzahnung 18 noch nicht ineinander, sondern liegen stirnseitig voreinander. Es ist zu erkennen, dass die äußere Umfangsseite des Zentrierabsatzes 21 allerdings bereits in der Zentrieraufnahme 22 liegt und daher zentriert ist. Die Verzahnung kann nun bis zur vollständigen Überdeckung ineinander geschoben werden, so wie es in der Einbaulage in 1 dargestellt ist. Die Bauweise der dargestellten Wellenkupplung ist ausgesprochen kompakt, da der Innendurchmesser D der Kupplungsnabe 17 größer ist als der Innendurchmesser D1 der zweiten Kupplungshälfte 3, das heißt auch gleichzeitig größer ist als der Außendurchmesser des Wellenendes 5. Dadurch kann das Wellenende 5 bis in das Mittelstück 8 hinein ragen und ist in der Einbaulage von dem zweiten Ausgleichselement 15 umgeben. Der Innendurchmesser D ist innerhalb der Kupplungsnabe 17 konstant. Der Innendurchmesser D2 der Kupplungshülse 16 ist aufgrund des aufzunehmenden Zentrierabsatzes 21 folglich größer als der Innendurchmesser D der Kupplungsnabe 17. Dadurch ist der Wellenflansch 9 der ersten Kupplungshälfte 2 zur Montage leicht zugänglich.

1: Wellenkupplung
2: erste Kupplungshälfte
3: zweite Kupplungshälfte
4: Wellenende
5: Wellenende
6: Elektromotor
7: Getriebegehäuse
8: Mittelstück
9: Wellenflansch
10: Schraubbolzen
11: Schraubbolzen
12: Zahnrad
13: Passfeder
14: erstes Ausgleichselement
15: zweites Ausgleichselement
16: Kupplungshülse
17: Kupplungsnabe
18: Innenverzahnung
19: Außenverzahnung
20: Zentriermittel
21: Zentrierabsatz
22: Zentrieraufnahme
23: Einführschräge
D: Innendurchmesser v. 17
D1: Innendurchmesser v. 3
D2: Innendurchmesser v. 16

Claims

Wellenkupplung mit einer ersten Kupplungshälfte (2) und einer zweiten Kupplungshälfte (3), die mit ersten und zweiten Ausgleichselementen (14, 15) verbunden sind, wobei die ersten und zweiten Ausgleichselemente (14, 15) durch ein Drehmoment übertragendes Mittelstück (8) miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittelstück (8) eine mit dem ersten Ausgleichselement (14) verbundene innnenverzahnte Kupplungshülse (16) sowie eine mit dem zweiten Ausgleichselement (15) verbundene außenverzahnte Kupplungsnabe (17) umfasst, wobei die Innenverzahnung (18) der Kupplungshülse (16) mit der Außenverzahnung (19) der Kupplungsnabe (17) durch Verschieben in Axialrichtung in Eingriff bringbar ist und wobei an der Kupplungsnabe (17) und der Kupplungshülse (16) Zentriermittel (20) vorgesehen sind, zur axialen Zentrierung der Innenverzahnung (18) gegenüber der Außenverzahnung (19) vor dem gegenseitigen Eingriff der Verzahnungen (18, 19).
Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriermittel (20) von einem der Außenverzahnung (19) in Axialrichtung vorgelagerten Zentrierabsatz (21) und einer auf den Durchmesser des Zentrierabsatzes (21) abgestimmte Zentrieraufnahme (22) an der Kupplungshülse (16) gebildet sind.
Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriermittel von einem der Innenverzahnung in Axialrichtung vorgelagerten Zentrierabsatz und einer auf den Durchmesser des Zentrierabsatzes abgestimmte Zentrieraufnahme gebildet sind.
Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentriermittel einen die Außenverzahnung im radialen Abstand umgebenden Zentrierung umfassen, welcher gegenüber einem Zentrierkragen an der Kupplungshülse zentrierbar ist.
Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der in Eingriff zu bringenden Zentriermittel eine Einführschräge (23) aufweist.
Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der in Eingriff zu bringenden Zentriermittel eine Einführrundung aufweist.
Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungshülse (16) und die Kupplungsnabe (17) aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sind.
Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungshülse (16) und die Kupplungsnabe (17) in der Einbaulage axialvorspannungsfrei montiert sind.
Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplungshälfte (2) einen Wellenflansch (9) aufweist, welcher über koaxial ausgerichtete Schraubbolzen (10, 11) stirnseitig eines Wellenendes (4) fixierbar ist.
Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente (14, 15) elastische, metallische Membranen sind.
Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente aus einem elastomeren Werkstoff bestehen.
Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichselemente Faserverbundbauteile sind.