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Die
Erfindung betrifft eine Wellenkupplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1.
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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.
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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.
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Zum
Stand der Technik ist die
US
3 132 494 A zu nennen. Diese Druckschrift offenbart eine
Wellenkupplung mit einer ersten Kupplungshälfte und einer zweiten Kupplungshälfte, die
mit ersten und zweiten Ausgleichselementen verbunden sind, wobei
die ersten und zweiten Ausgleichselemente durch einen Drehmoment übertragen
das Mittelstück
miteinander gekoppelt sind. Das Mittelstück besitzt 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. Ähnliche
Bauformen sind Gegenstand der
US 3 368 369 A sowie des deutschen Gebrauchsmusters
DE 75 01 403 U .
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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.
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Diese
Aufgabe ist bei einer Wellenkupplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Wellenkupplung in einer möglichen
Einbaulage im Längsschnitt
und
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2 die
Wellenkupplung der 1 in vergrößerter Darstellung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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