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Die Erfindung betrifft eine Fliehkraftkupplung, bei der einer Drehachse wenigstens eine, ein radial ausrückbares Gleitelement aufweisende, Kupplungsscheibe zugeordnet ist, wobei das Gleitelement mit wenigstens einer Übertragungsschleife verschieblich derart verbunden ist, dass bei einer Rotation der Kupplungsscheibe aufgrund der auf das Gleitelement wirkenden Fliehkraft und seiner hieraus folgenden radialen Ausrückung die wenigstens eine Übertragungsschleife in Eingriff mit einer Übertragungsrolle zur Kraftübertragung auf eine weitere Kupplungsscheibe oder auf die Drehachse bringbar ist.
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Eine entsprechende Fliehkraftkupplung ist bereits aus der
US 2,670,829 A bekannt.
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Fliehkraftkupplungen ist üblicherweise gemein, dass sie Kupplungsscheiben aufweisen, und diesen Kupplungsscheiben Gleitelemente zugeordnet sind, welche bei einer gewissen Drehzahl nach außen gedrückt werden. Dadurch vergrößert sich der Umfang der Kupplungsscheibe, die Kupplungsscheibe beginnt an der sie umgebenden Kupplungsgehäusewand, der so genannten Kupplungsglocke, zu reiben. Durch diese Reibung wird die Kupplungsglocke ihrerseits in Rotation versetzt, so dass letztlich die von der Drehachse der Kupplungsscheibe ausgehende Kraft auf die Kupplungsglocke übertragen wird.
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Solche Fliehkraftkupplungen wurden früher insbesondere in Drehmaschinen eingesetzt, welche eine große Schwungmasse zu bewegen hatten. Sie dienten dazu, diese Drehmaschinen im unteren Drehzahlbereich zu entlasten, wenn sie beim Anlaufen ein Vielfaches des Nennstromes aufnehmen und so ihre Schutzeinrichtungen auslösen würden. Allerdings haben die Fliehkraftkupplungen in diesem Bereich in letzter Zeit an Bedeutung verloren, nachdem hierfür aufgrund des Einsatzes von Frequenzumrichtern und Anlaufschaltungen mittlerweile andere, effektivere Wege gefunden worden sind.
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Es ist ebenfalls möglich, umgekehrten Effekt auszunutzen, mit dessen Hilfe eine Fliehkraftbremse geschaffen werden kann. Hierzu ist es lediglich notwendig, die Kupplungsglocke letztlich feststehend vorzusehen und durch die Reibung eine Verlangsamung der Drehung zu verursachen. Eine solche Fliehkraftbremse kommt insbesondere bei Drehmaschinen zum Einsatz, welche vor einer Überdrehzahl geschützt werden müssen.
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Um eine Mitnahme zu gewährleisten, ist es in diesen Ausführungsformen jedoch stets notwendig, dass die Kupplungsscheiben, bzw. die Gleitelemente, eine genügende Masse aufweisen, so dass eine Kraftübertragung auf die Kupplungsglocke erfolgen kann. Somit eignet sich die herkömmliche Fliehkraftkupplung kaum für Anwendungen, welche in Leichtbauweise gefertigt sind, nachdem eine Kraftübertragung hier lediglich durch zusätzlich angebrachte – und eigentlich unerwünschte – Masse erfolgen könnte.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Fliehkraftkupplung zu schaffen, welche auch ohne den Einsatz größerer Massen an den Kupplungsscheiben funktioniert.
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Dies gelingt mit einer Vorrichtung zur Kraftübertragung auf eine Drehachse gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs.
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Weitere sinnvolle Ausgestaltungen der Vorrichtung können den Unteransprüchen entnommen werden.
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Erfindungsgemäß weist eine Kupplungsscheibe Gleitelemente auf, welche jeweils paarweise mittels einer Übertragungsschleife verbunden sind. Die Gleitelemente sind auf der Kupplungsscheibe derart verschieblich angeordnet, dass bei einer Rotation der Kupplungsscheibe die Gleitelemente in radiale Richtung ausrücken. Durch die Ausrückung der Gleitelemente werden die mit den Gleitelementen verbundenen Übertragungsschleifen so zugezogen, dass sie in Eingriff mit einer Übertragungsrolle gelangen, die benachbart zur Kupplungsscheibe angeordnet ist. Durch den Eingriff in die Übertragungsrolle wird die Kraft der sich zunächst drehenden Kupplungsscheibe auf die zunächst ruhende Übertragungsrolle weitergegeben. Es ist beispielsweise möglich, die Übertragungsschleifen etwa aus einer Kunststoff- oder Gummimischung herzustellen, so dass eine verbesserte Reibung zwischen Übertragungsschleife und Übertragungsrolle gewährleistet ist. Bei einer Verlangsamung der Rotation der Kupplungsscheibe rücken die Gleitelemente wieder in Richtung des Drehzentrums, also der Drehachse, ein, wodurch die Übertragungsschleife mit ihrem Schleifenbogen aus dem Zentrum heraus geschoben wird. Dadurch greift sie nicht mehr in die Übertragungsrolle ein und verursacht somit eine Auskupplung der Kupplungsscheibe.
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Bei der Übertragungsrolle muss unterschieden werden, ob eine Übertragungsrolle drehfest mit der Drehachse verbunden ist, wobei ein solcher Achsmitnehmer zur Übertragung von Drehmoment auf die Drehachse eingesetzt wird, und einem Scheibenmitnehmer, welcher eine Kraftübertragung von einer Kupplungsscheibe auf die nächste Kupplungsscheibe ermöglicht. Im Normalfall weist eine Kupplungsscheibe zwei Übertragungsschleifen auf, von denen eine in einen Achsmitnehmer und die andere in den Scheibenmitnehmer der in Abtriebsrichtung nächsten Kupplungsscheibe eingreift. Es wird somit nach jeder weiteren Kupplungsscheibe ein Teil der Kraft in die Drehachse eingekoppelt, der andere Teil in die nächste Kupplungsscheibe übertragen.
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Die Gleitelemente weisen mit Vorteil Führungsstifte auf, welche in Langlöcher der Kupplungsscheiben eingreifen. Die Langlöcher sind den Kupplungsscheiben in radialer Ausrichtung einbeschrieben, so dass die Gleitelemente mit ihren Führungsstiften in den Langlöchern hin und her gleiten können.
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Um das Einrücken der Gleitelemente bei einer Verlangsamung der Rotation zu gewährleisten, sind die Gleitelemente derart federnd gelagert, dass sie entgegen der Federkraft in Richtung der Längserstreckung der Langlöcher ausgerückt werden müssen. Entsprechend wird bei einem Nachlassen der Fliehkräfte, welches mit einer Verlangsamung der Rotation einhergeht, die Federkraft stärker als die Fliehkraft, woraufhin die Gleitelemente wieder in Richtung des Drehzentrums einrücken.
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Die Federung kann mit Vorteil über ein, vorzugsweise endloses, elastisches Band erfolgen, welche um die Führungsstifte der Kupplungsscheibe herum geführt ist. Es ist dabei möglich, einander gegenüberliegende Führungsstifte mit jeweils einem elastischen Band aneinander zu koppeln, es ist jedoch auch möglich, sämtliche Führungsstifte mit einem einzelnen elastischen Band zu verbinden. Es ist lediglich notwendig, das elastische Band symmetrisch zum Drehpunkt anzuordnen.
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Nachdem die Gleitelemente auch unregelmäßige Formen annehmen können, ist es sinnvoll, die Gleitelemente auf den Führungsstiften drehfest aufzunehmen, so dass eine Verdrehung und somit ein Ungleichgewicht auf der Kupplungsscheibe vermieden ist. Beispielsweise kann das dadurch erfolgen, dass die Führungsstifte flache Seiten aufweisen, welche eine Verdrehung in den Langlöchern verunmöglichen. Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, die Gleitelemente an die Form der Kupplungsscheibe anzupassen, so dass die Gleitelemente in Form von Kreissegmenten geschnitten sind. Insbesondere dies erfordert, dass eine Verdrehung der einzelnen Gleitelemente nicht möglich ist.
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Antriebsseitig ist der Kupplungsanordnung mit Vorteil ein Antriebsrad zugeordnet, welches direkt, etwa über einen Zahnkranz, von einem Drehgeber angetrieben wird. Dieses Antriebsrad ist auf der Drehachse gleitend gelagert und stellt den Einkopplungspunkt der auf die Drehachse übertragenen Kraft dar. Das Antriebsrad wird mit besonderem Vorteil in einen ersten Scheibenmitnehmer eingekoppelt, welcher derart ausgestaltet ist, dass ein auf dem Antriebsrad vorgesehenes Eingriffsystem lediglich in einer Richtung in den ersten Scheibenmitnehmer einkoppeln kann. Der erste Scheibenmitnehmer ist ebenfalls gleitend auf der Drehachse gelagert, ihm ist eine erste Kupplungsscheibe zugeordnet. Die Kraftübertragung zwischen dem Antriebsrad und dem ersten Scheibenmitnehmer erfolgt mit Vorteil dadurch, dass dem Antriebsrad ein Eingriff zugeordnet ist, welcher in eine Sternförmige Ausnehmung des ersten Scheibenmitnehmers eingreifen kann. Das Antriebsrad weist im Bereich des Eingriffs zumindest einen Eingriffszahn auf, welcher in die Sternzacken der Ausnehmung des ersten Scheibenmitnehmers eingreifen kann. Der Eingriff erfolgt jedoch aufgrund einer einseitigen Abrundung des Eingriffszahns nur, wenn eine Drehung in einer vorgesehenen Drehrichtung erfolgt. Erfolgt eine Drehung in die Gegenrichtung, oder läuft der Antrieb langsamer als der erste Scheibenmitnehmer, so wird aufgrund der Abrundung des Eingriffszahns ein Eingriff desselben verhindert und Antriebsrad und erster Scheibenmitnehmer sind entkoppelt.
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In Weiterbildung dieser Ausführung greift die erste Kupplungsscheibe, welche dem ersten Scheibenmitnehmer zugeordnet ist, mit sämtlichen ihr zugeordneten Übertragungsschleifen in einen mehrfachen Scheibenmitnehmer ein. Dies ergibt sich daraus, dass ein bereits an dieser Stelle auf die Achse übertragenes Drehmoment eine direkte Übertragung darstellen würde, welche durch die Kupplung gerade vermieden werden soll.
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Eine weitere Besonderheit stellt die letzte Kupplungsscheibe dar, welcher selbstverständlich kein weiterer Scheibenmitnehmer folgt, sondern ein mehrfacher Achsmitnehmer. An dieser Stelle wird sämtliche verbleibende Kraft über die Übertragungsschleifen in die Achsdrehung umgesetzt.
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In konkreter Ausgestaltung werden in Abtriebsrichtung zunehmend größere bzw. schwerere Kupplungsscheiben eingesetzt, wobei hierzu sowohl ein größerer Umfang der Kupplungsscheiben wählbar ist, als auch eine größere Dicke oder unterschiedliche Materialien.
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Es ist zudem vorteilhaft, die Drehachse auf einem Kugellager zu lagern, um eine Verbesserung der Energiebilanz zu erzielen.
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Zwischen verschiedenen Abschnitten, welche drehfest auf der Achse gelagert sind, etwa Achsmitnehmern, und Abschnitten, welche gleitend auf der Drehachse angeordnet sind, etwa Scheibenmitnehmern, sind mit besonderem Vorteil jeweils Abstandhalter vorgesehen, welche ihrerseits ebenfalls auf der Drehachse gleitend angeordnet sind. Auf diese Weise wird vermieden, dass solche Abschnitte, welche noch nicht eingekoppelt sein sollen, aufgrund ungewollter Reibung zwischen den einzelnen Abschnitten eingekoppelt werden.
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Die vorgenannte Vorrichtung wird mit besonderem Vorteil in Leichtbauweise konstruiert, etwa aus Materialien wie Aluminium oder Kunststoff.
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Die vorstehend beschriebene Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit drei Kupplungsscheiben in einer seitlichen Prinzipdarstellung,
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2 eine Kupplungsscheibe in einer Draufsicht,
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3 die einer Kupplungsscheibe zugeordneten Gleitelemente in einer ausgerückten Position in einer Draufsicht, sowie
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4 ein Antriebsrad sowie einen ersten Scheibenmitnehmer, wobei die ineinander greifenden Flächen getrennt und nebeneinander gelegt wurden, jeweils in einer Draufsicht.
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1 zeigt eine Fliehkraftkupplung, mit deren Hilfe eine Drehachse 1 in Rotation versetzt werden soll. Hierzu ist der Fliehkraftkupplung ein Antriebsrad 4 zugeordnet, welches in Antriebsrichtung 15 den ersten Teil der Fliehkraftkupplung darstellt. Die Drehachse 1 ist mit Hilfe von Kugellagern 2, 2' drehbar gelagert. Die drehbar gelagerten Teile der Vorrichtung sind zusätzlich mit Stoppern 3, 3', 3'' gegen ein Abrutschen von der Drehachse 1 gesichert. Eine ungewollte Mitnahme eines gleitend auf der Drehachse 1 gelagerten Abschnittes der Anordnung durch einen drehfest an der Drehachse aufgenommenen Abschnitts wird aufgrund von gleitend gelagerten Abstandhaltern 13 vermieden.
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Ein Drehgeber greift zur Kraftübertragung direkt in die Zähne des Antriebsrades 4 ein und versetzt dieses in Rotation. Das Antriebsrad greift, wie an späterer Stelle in 4 dargestellt, in einen ersten Scheibenmitnehmer 8 ein, welche eine Rotation lediglich in eine vorgegebene Richtung zulässt. Auf der zu diesem Zeitpunkt noch unbewegten Drehachse 1 sind Antriebsrad 4 sowie der Erste Scheibenmitnehmer 8 und die mit diesem verbundene erste Kupplungsscheibe 5 gleitend gelagert. Sie werden durch den Antrieb, welcher von dem Drehgeber ausgeht, direkt in die Solldrehzahl verbracht.
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Auf der ersten Kupplungsscheibe 5 sind mehrere Gleitelemente 21 derart radial verschieblich angebracht, dass diese sich aufgrund der Rotation der ersten Kupplungsscheibe 5 in eine Ausrückposition verschieben. Die erste Kupplungsscheibe 5 und die auf dieser angeordneten Gleitelemente 21 sind in den nachfolgenden 2 und 3 näher dargestellt. Aufgrund des Ausrückens der Gleitelemente 21 auf der ersten Kupplungsscheibe 5 wird eine Übertragungsschleife 24, 24', welche mit den Gleitelementen 21 verbunden ist, mit ihrem Schlaufenbogen in Richtung des Drehzentrums, in dem sich die Drehachse 1 befindet, gezogen. Hierbei greift sie in einen mehrfachen Scheibenmitnehmer 10 ein, der einer benachbarten zweiten Kupplungsscheibe 6 zugeordnet ist. Aufgrund dieses Eingreifens, welches durch das Ausrücken der Gleitelemente 21 der ersten Kupplungsscheibe 5 erfolgt, und letztlich durch die Rotation der ersten Kupplungsscheibe 5 verursacht wird, wird eine Mitnahme auch der zweiten Kupplungsscheibe 6 verursacht. Dadurch, dass bei einer Drehzahl, welche ein Ausrücken der federnd gelagerten Gleitelemente 21 nicht bewirkt, auch ein Mitnehmen der zweiten Kupplungsscheibe 6 nicht erfolgt, ist ein auskuppeln der Kupplungsanordnung gewährleistet.
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Wird aufgrund des Eingriffs der Übertragungsschleifen 24, 24' in den mehrfachen Scheibenmitnehmer 10 auch die zweite Kupplungsscheibe 6 in Rotation versetzt, so wird auch diese auf gleichem Wege eine Kraftübertragung mithilfe von Übertragungsschleifen 24, 24' durchführen. In diesem Fall wird jedoch die Kraft einer Übertragungsschleife 24 auf einen mittels einer Verschraubung 14 mit der Drehachse 1 drehfest verbundenen Achsmitnehmer 11 übertragen, die Kraft einer weiteren Übertragungsschleife 24' auf einen Scheibenmitnehmer 9. Hierdurch wird die halbe auf die zweite Kupplungsscheibe 6 übertragene Kraft auf die Drehachse 1 übertragen, wodurch diese mit ihrer Drehung beginnen kann. Die andere Hälfte der Kraft wird in die Drehung der letzten Kupplungsscheibe 7 investiert, welche ihrerseits bei genügender Drehzahl ihre Kraft wiederum auf einen mehrfachen Achsmitnehmer 12 übertragen kann. Sind alle Kupplungsscheiben 5, 6, 7 auf diese Weise eingekuppelt, wird die vollständige Kraft des Drehgebers auf die Drehachse 1 übertragen und der Einkupplungsvorgang ist abgeschlossen.
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Im Folgenden werden die oben angesprochenen Einzelteile der Kupplungsanordnung näher erläutert.
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2 zeigt die erste Kupplungsscheibe 5, welche allerdings baugleich mit den übrigen Kupplungsscheiben 6, 7 ist, wobei die Kupplungsscheiben 5, 6, 7 in Abtriebsrichtung 16 zunehmend größer werden. Die erste Kupplungsscheibe 5 weist bezüglich der Drehachse symmetrisch angeordnete Langlöcher 19 auf, in welchen Führungsstifte 22 eingesetzt sind, auf denen die Gleitelemente 21 radial verschieblich gelagert sind. Der ersten Kupplungsscheibe 5 sind Gleitelemente 21 derart zugeordnet, dass die Gleitelemente 21 in ihrer Gesamtheit die Form der ersten Kupplungsscheibe 5 aufnehmen und demnach ihrerseits als Kreissegmente ausgebildet sind. Dies ist durch die Gleitelementkante 20 in der Figur veranschaulicht.
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3 zeigt die erste Kupplungsscheibe 5 mit den auf ihr angeordneten Gleitelementen 21. Diese sind mit Hilfe der Führungsstifte 22 in den Langlöchern 19 der ersten Kupplungsscheibe 5 verschieblich gelagert, wobei sie gleichzeitig gegen eine Verdrehung gesichert sind um das Entstehen eines Ungleichgewichts in der Anordnung zu vermeiden. Um die Führungsstifte 22 herum ist ein elastisches Band 23 angeordnet, welches aufgrund der bezüglich der Drehachse 1 symmetrischen Anordnung die Gleitelemente 21 symmetrisch in der Mitte der ersten Kupplungsscheibe 5 hält. Wird die erste Kupplungsscheibe 5 in Rotation versetzt, rücken die Gleitelemente 21 radial von dem Drehzentrum weg aus, so dass eine zwischen jeweils zwei benachbarten Gleitelementen angelegte Übertragungsschleife 24, 24' mit ihrem Schleifenbogen in Richtung des Drehzentrums gezogen wird. Die Übertragungsschleife 24, 24' wird auf diese Weise in Eingriff einer Übertragungsrolle, etwa eines Achsmitnehmers 11 oder eines Scheibenmitnehmers 9 gebracht und kuppelt diesen auf die oben beschriebene Art und Weise ein.
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4 zeigt das Antriebsrad 4 sowie den ersten Scheibenmitnehmer 8 jeweils in einer Draufsicht. Der Drehgeber, welcher die Kupplungsanordnung in Rotation versetzen soll, greift in den Zahnkranz des Antriebsrads 4 ein und versetzt dieses in Rotation. Die Eingriffszähne 18, 18' greifen, vorausgesetzt die Drehung entspricht der gewünschten Mitnahmedrehrichtung, in den Sterneingriff 17 des ersten Scheibenmitnehmers 8 ein und übertragen die Kraft vollständig auf den ersten Scheibenmitnehmer 8. Erfolgt eine Drehung entgegen der gewünschten Richtung, so werden die Eingriffszähne 18, 18' in den hier gezeigten Zustand angeklappt und greifen nicht in die Sternzacken des Sterneingriffs 17 des ersten Scheibenmitnehmers 8 ein. In diesem Fall ist der erste Scheibenmitnehmer 8 ausgekuppelt. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass eine Drehung entgegen der gewünschten Richtung oder auch eine Abbremsung durch den Drehgeber verhindert wird.
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Vorstehend ist somit eine Vorrichtung zur Kraftübertragung auf eine Drehachse beschrieben, welche bekannte Fliehkraftkupplungen dahingehend verbessert, dass eine Leichtbauweise und eine weitgehend freie Materialwahl ermöglicht wird. Dies wird dadurch erreicht, dass eine Übertragung nicht durch die Gleitelemente selbst, sondern durch den Gleitelementen zugeordnete Übertragungsschleifen erfolgt, welche infolge des Ausrückens der Gleitelemente in benachbarte Übertragungsrollen eingreifen können.
