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Die
Erfindung betrifft eine Kupplung zum lösbaren Verbinden zweier drehbar
gelagerter Kupplungshälften
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Schaltkupplungen
sind mit einem Betätigungsglied
ausgestattet, mit dem Kupplungshälften für eine Drehmomentenübertragung
in Eingriff gebracht werden oder für eine Unterbrechung der Drehmomentenübertragung
von einander abgestellt werden können.
Als Betätigungsglieder
dienen mechanische und/oder nichtmechanische Bauteile. Bei nichtmechanisch
ein- und ausrückbaren
Kupplungen werden druckmittelbetätigte,
elektrische oder magnetische Stellglieder verwendet, die an mindestens
eine Kupplungshälfte
angreifen. Schaltkupplungen werden einem speziellen Anwendungsfall
entsprechend dimensioniert. Wesentliche Parameter beim Auslegen
einer Schaltkupplung sind das zu übertragende Drehmoment, der
zur Verfügung
stehende Bauraum und das Einhalten der Phasenlage der zu kuppelnden
Elemente.
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Es
sind Bogendruckmaschinen bekannt, die in der Betriebsart wahlweise
zum Drucken auf nur einer Seite oder zum Drucken auf beiden Seiten
der Bogen eingestellt werden können.
Zum Einstellen des Druckens auf beiden Seiten wird im Förderweg der
Bogen eine Wendevorrichtung in Betrieb gesetzt. Die Drehphasenlagen
der Zylinder und Trommeln unterscheiden sich beim Drucken auf nur
einer Seite und im Perfektorbetrieb. Aus der
DE 42 23 189 A1 ist eine
Vorrichtung bekannt, die es ermöglicht,
den Hauptantriebsräderzug
aufzutrennen und die Drehphase der Zylinder und Trommeln vor einer
Wendevorrichtung zur Drehphasenlage der Zylinder und Trommeln nach
der Wendevorrichtung auf die gewünschte
Betriebsart einzustellen. Die Vorrichtung umfasst eine Kupplung,
die ein Zahnrad vom Wellenzapfen einer Wendetrommel ausschalten
kann. Die Kupplung ist als Reibkupplung ausgeführt, wobei beim Drucken Reibflächen des
ausschaltbaren Zahnrades und eines drehfest mit dem Wellenzapfen
verbundenen Zahnrades mittels eines Federpaketes aneinander gepresst
werden. Das ausschaltbare Zahnrad und das drehfest mit dem Wellenzapfen
verbundene Zahnrad stehen dauernd mit den Zahnrädern einer benachbarten Speichertrommel
und eines Druckzylinders in Eingriff.
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Die
im Hauptantriebsräderzug übertragbaren Drehmomente
sind durch die Konstruktion der Zahnräder, die Verbindung zu den
Wellenzapfen und durch Kupplungen begrenzt. Insbesondere bei Maschinen
mit einer Vielzahl von Druckwerken und großen zu druckenden Bogenformaten
treten statische und dynamische Drehmomente auf, die zu einem Ausfall
der Kupplung führen
können.
Bei Ausfall der Kupplung verändert
sich die Drehphasenlage der Druckwerke, so dass Druckfehler entstehen
oder im Extremfall Greifer mit Trommelkörpern kollidieren.
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Es
ist möglich,
eine Kupplung einer Wendevorrichtung einer Bogendruckmaschine auf
ein maximal zu übertragendes
Drehmoment auszulegen. Gemäß der
DE 102 02 386 A1 wurde
eine Lamellenkupplung sowohl mit Reibgliedern als auch mit formschlüssigen Gliedern
ausgestattet. Derartig dimensionierte Kupplungen benötigen einen
großen
Bauraum, der nicht in jedem Fall zur Verfügung steht.
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In
den
DE 41 32 250 C2 und
DE 198 43 066 A1 sind
Einrichtungen zum Umstellen auf Schön- oder Schön- und Widerdruck an einer
Bogendruckmaschine beschrieben, bei denen mit einer Kupplung ein
Hauptantriebsräderzug
an einer Wendetrommel aufgetrennt und mit einem zusätzlichen
Getriebe und einem Hilfsantrieb eine Phaseneinstellung vorgenommen
wird. Als zusätzliches
Getriebe dienen ein Umlaufrädergetriebe,
ein Kegelradgetriebe oder ein Differentialgetriebe. Die Konstruktion
mit einem zusätzlichen
Getriebe ist material- und kostenaufwendig und benötigt einen
großen
Bauraum.
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Bei
einem Antrieb für
eine Bogendruckmaschine nach der
DE 35 34 486 C2 sind im Zahnräderzug zwei
nebeneinander angeordnete Zahnräder vorgesehen,
die in einem Pressverband miteinander verbunden sind. Der Pressverband
kann durch unter Druck gesetztes Öl aufgehoben werden. Um den Druck
aufzubringen, bedarf es aufwendiger konstruktiver Maßnahmen,
wie Abdichtungen und Leitungen für
Leckageöl.
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Aus
der
DE 41 20 243 C2 ist
eine Magnetpulverkupplung bekannt, bei der zwischen Kupplungshälften Magnetpulverteilchen
angeordnet sind. Wird zwischen den Kupplungshälften ein Magnetfeld aufgebaut,
dann werden die Kupplungshälften
durch magnetische Magnetpulverteilchen für eine Drehmomentenübertragung
mechanisch gekoppelt. Es müssen
Dichtungen vorgesehen werden, die verhindern, dass sich Magnetpulverteilchen
ungewollt an Lagern und sonstigen verschmutzungsempfindlichen Elementen
ablegen.
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Eine
Kupplung für
Antriebselemente einer Druckmaschine nach der
DE 102 07 052 A1 enthält Kupplungshälften, deren
Drehstellung zueinander mit hydraulischen Stellelementen einstellbar
ist. Für eine
Drehmomentenübertragung
kann die Hydraulikflüssigkeit
durch Anlegen einer elektrischen Spannung oder eines magnetischen
Feldes verfestigt werden. Die Einrichtungen zum Verfestigen der
rheologischen Flüssigkeit
sind aufwendig, wenn ein großer Stellbereich
realisiert werden soll.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Kupplung zum lösbaren Verbinden zweier drehbar
gelagerter Kupplungshälften
zu entwickeln, deren Zuverlässigkeit
beim Übertragen
hoher Drehmomente erhöht
ist.
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Die
Aufgabe wird mit einer Kupplung gelöst, welche die Merkmale nach
Anspruch 1 aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung
enthält
eine Kupplung ein Betätigungsglied
mit einem Körper,
dessen geometrische Abmessungen durch Einwirken eines elektromagnetischen
Feldes veränderbar
sind. Der Körper
kann aus einem piezoelektrischen oder magnetostriktivem Material
bestehen. Wenn die Kupplung als Reibkupplung mit Reibflächen an
den Kupplungshälften
ausgebildet ist, dann werden bei einer Änderung der Abmessungen des
Körpers
die Reibflächen
zusammengepresst oder auseinander gebracht. Die Reibflächen können einen
axialen oder einen radialen Pressverband bilden. Bei Verwendung
eines piezoelektrischen Körpers
können
an einer Kupplungshälfte
Schleifkontakte ausgebildet sein. Über die Schleifkontakte kann
zum Betätigen
der Kupplung der Körper
mit einer ortsfesten Spannungsquelle verbunden werden.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden,
es zeigen:
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1, 2:
zwei Zahnräder
einer Druckmaschine mit einem radialen Pressverband mit einem Aktor
an einem Zahnrad,
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3, 4:
zwei Zahnräder
einer Druckmaschine in einem radialen Pressverband mit einem Aktor
an einer Nabe eines Zahnrades,
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5, 6:
zwei Zahnräder
einer Druckmaschine in einem axialen Pressverband und axial wirkenden
Aktoren,
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7, 8:
zwei Zahnräder
einer Druckmaschine in einem radialen Pressverband und Piezoaktoren
an einem Zahnkranz,
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9:
eine Lagerung eines piezoelektrischen Aktors einer Kupplung, und
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10:
eine Schleifkontaktanordnung für
einen piezoelektrischen Aktor einer Kupplung.
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Die
nachstehend beschriebenen Kupplungen sind im Zahnräderzug einer
Bogendruckmaschine anwendbar, wobei zwei Zahnräder an einem Wellenzapfen einer
Bogentransfertrommel angeordnet sind. Beim Lösen der Kupplung können die
Drehphasen der Zahnräder
zueinander verstellt werden, was z. B. beim Umstellen vom Drucken
auf einer Seite auf beidseitiges Drucken erforderlich ist.
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1 zeigt
ein erstes Zahnrad 1, welches drehfest auf einem Wellenzapfen 2 einer
Bogentransfertrommel angeordnet ist. Auf dem Wellenzapfen 2 ist
ein weiteres Zahnrad 3 mit einer Nabe 4 in einem radialen
Presssitz angeordnet. Am Umfang der Nabe 4 ist eine axial
verlaufende Nut 5 eingearbeitet. In tangentialer Richtung
sind in der Nut 5 ein Piezoaktor 6 und Druckstücke 7, 8 angeordnet.
Der Piezoaktor 6 steht mit einer Spannungsquelle in Verbindung.
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Zum
Lösen der
Kopplung zwischen dem Zahnrad 3 und dem Wellenzapfen 2 wird
der Piezoaktor 6 mit Spannung beaufschlagt, so dass sich
der Piezoaktor 6 in Längsrichtung
ausdehnt. Über
die Druckstücke 7, 8 entsteht
an den Seitenwänden
der Nut 5 eine Kraftwirkung F1. Dadurch wird die Nabe 4 in
der Umgebung der Nut 5 im elastischen Bereich gedehnt und
der Presssitz zwischen dem Zahnrad 3 und dem Wellenzapfen 2 aufgehoben.
Die Zahnräder 1, 3 können relativ
zueinander um die Drehachse 9 verdreht werden. Besitzen
die Zahnräder 1, 3 eine gewünschte Drehstellung
zueinander, wird die Spannung am Piezoaktor 6 abgeschaltet,
so dass die Dehnung im Bereich der Nut 5 zurückgestellt
wird und der Presssitz wieder hergestellt ist.
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Die 3 und 4 zeigen
eine Kupplung mit einem Piezoaktor 10 an einem Wellenzapfen 11 einer
Wendetrommel einer Bogendruckmaschine. Wie zu den 1 und 2 beschrieben,
sind auf dem Wellenzapfen 11 ein erstes Zahnrad 12 drehfest und
ein zweites Zahnrad 13 drehbar angeordnet. Das Zahnrad 13 besitzt
eine Nabe 14. Der Piezoaktor 10 sitzt mit Druckstücken 15, 16 tangential
in einer Nut 17 am Umfang des Wellenzapfens 11.
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Ist
der Piezoaktor 10 nicht mit einer Spannungsquelle verbunden,
dann sind die Piezoelemente des Piezoaktors 10 nicht expandiert,
so dass keine Kraftwirkung von den Druckstücken 15, 16 auf
die Seitenwände
der Nut 17 ausgeübt
wird und zwischen der Nabe 14 und dem Wellenzapfen 11 eine
Spielpassung besteht. Soll das Zahnrad 13 drehfest mit dem
Wellenzapfen 11 gekuppelt werden, wird an den Piezoaktor 10 eine
Spannung angelegt, so dass die Piezoelemente expandieren. Über die
Druckstücke 15, 16 entsteht
eine Kraftwirkung F2 auf die Seitenwände der Nut 17, wodurch
der Wellenzapfen 11 sich umfänglich vergrößert. Der
Wellenzapfen 11 wird gegen die Nabe 14 gepresst,
so dass eine Drehmomentenübertragung
vom Zahnrad 12 über
den Wellenzapfen 11 auf das Zahnrad 13 möglich ist.
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Bei
einer Variante nach 5 ist ein erstes Zahnrad 18 drehfest
mit einem Wellenzapfen 19 einer Wendetrommel verbunden.
Das Zahnrad 18 besitzt eine Nabe 20, auf der drehbar
ein Zahnkranz 21 angeordnet ist. Die einander zugewandten
Seitenflächen 22, 23 des
Zahnrades 18 und des Zahnkranzes 21 sind als Reibungskupplungsflächen ausgebildet, die
senkrecht zur Drehachse 24 stehen. An die Seitenfläche 25 der
Nabe 20 ist eine Scheibe 26 geschraubt. Die Scheibe 26 besitzt
eine Aussparung 27, in der in Richtung parallel zur Drehachse 24 ein oder
mehrere Piezoaktoren 28 mit Druckstücken 29, 30 angeordnet
sind.
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Wird
der Piezoaktor 28 mit Spannung beaufschlagt, dehnen sich
die Piezoelemente in Richtung der Drehachse 24 aus, wobei
sich das Druckstück 29 an
einer senkrecht zur Drehachse 24 stehenden Wand 31 der
Aussparung 27 und das Druckstück 30 an der Seitenfläche 25 abstützt. Es
entsteht eine Kraftwirkung F3, so dass der Zahnkranz 21 und
das Zahnrad 18 an den Seitenflächen 22, 23 zusammengepresst
werden. In diesem Zustand ist eine Drehmomentenübertragung vom Zahnrad 18 über die Nabe 20 auf
den Zahnkranz 21 möglich.
Wird die Spannung weggenommen, sind das Zahnrad 18 und der
Zahnkranz 21 frei gegeneinander um die Drehachse 24 verdrehbar.
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6 zeigt
eine weitere Variante mit einem in Richtung einer Drehachse 32 wirkenden
Piezoaktor 33. Ähnlich 5 ist
ein Zahnrad 34 drehfest mit einem Wellenzapfen 35 einer
Wendetrommel verbunden. Auf einer Nabe 26 des Zahnrades 34 ist drehbar
ein Zahnkranz 37 angeordnet. An die Seitenfläche 38 der
Nabe 36 ist eine Scheibe 39 geschraubt, so dass
die einander zugewandten Seitenflächen 40, 41 des
Zahnrades 34 und des Zahnkranzes 37 aneinander
gepresst werden. In diesem Zustand ist eine Drehmomentenübertragung
vom Zahnrad 34 über
die Nabe 36 auf den Zahnkranz 37 möglich. Der
Piezoaktor 33 ist in einer Aussparung der Nabe 36 angeordnet.
Der Piezoaktor 33 ist in Richtung der Drehachse 32 mit
Druckstücken 42, 43 gekoppelt,
die an der dem Zahnkranz 37 zugewandten Seitenfläche 44 der
Scheibe 39 und an einer Seitenfläche der Aussparung anliegen.
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Zum
Lösen der
Reibverbindung zwischen den Seitenflächen 40, 41 wird
der Piezoaktor 33 mit Spannung beaufschlagt, so dass sich
die Piezoelemente des Piezoaktors 33 in Richtung der Drehachse 32 ausdehnen.
Auf die Scheibe 39 entsteht eine Kraftwirkung F4, wobei
die Befestigungsschrauben der Scheibe 39 gedehnt werden
und sich der axiale Abstand zwischen der Scheibe 39 und
dem Zahnrad 34 vergrößert. In
diesem Zustand ist der Zahnkranz 37 frei auf der Nabe 36 um
die Drehachse 32 verdrehbar. Wird die Spannung am Piezoaktor 33 abgeschaltet,
schließt
sich die Kupplung erneut.
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Die
Kupplungen nach den 1 bis 6 sind jeweils
mit einem Piezoaktor 6, 10, 28, 33 beschrieben.
Die Erfindung ist nicht auf den Einsatz genau eines Piezoaktors 6, 10, 28, 33 beschränkt. Bei allen
Ausführungsbeispielen
können
Piezoaktoren und/oder in der Wirkung äquivalente magnetostriktive
Aktoren mehrfach vorgesehen werden. Bevorzugt sind die Aktoren in
Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt
angeordnet.
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Die 7 bis 10 zeigen
eine den 1 bis 2 entsprechende
Ausführungsform
einer Kupplung mit acht in tangentialer Richtung wirkenden Aktoren 45 bis 49.
Ein Zahnrad 50 mit einer Nabe 51 ist drehfest
an einem Wellenzapfen einer Wendetrommel einer Bogendruckmaschine
angeordnet. Auf der Nabe 51 ist ein Zahnkranz 53 angeordnet,
der mit einem Sicherungsring 54, einer Tellerfeder 55 und
einer Anlaufscheibe 56 axial gesichert ist. Der Zahnkranz 53 besitzt
eine Nabe 57, wobei der Zahnkranz 53 im Bereich
der Nabe 57 in einem Presssitz 58 auf der Nabe 51 des
Zahnrads 50 angeordnet ist. In Richtung der Drehachse 59 folgt
dem Presssitz 58 eine Ausdrehung 60 der Nabe 57 und
eine Spielpassung 61 zwischen dem Zahnkranz 53 und
der Nabe 51. Das Spiel der Spielpassung 61 beträgt vorzugsweise
4 bis 40 um. Die Aktoren 45 bis 49 sind als Piezoaktoren
oder magnetostriktive Aktoren ausgebildet. 8 zeigt
eine Schnittdarstellung durch einen Piezoaktor 46. In 7 ist
neben dem Piezoaktor 46 ein magnetostriktiver Aktor 48 mit
einer Erregerspule 62 dargestellt. Die Aktoren 45 bis 49 sitzen
gleichmäßig verteilt
in Aussparungen am Umfang der Nabe 57. In axialer Richtung
sind die Aktoren 45 bis 49 mit Schutzblechen 63 gegen
Herausfallen gesichert. In radialer Richtung ist um die Nabe 57 eine
elastische Schutzhülle 64 gelegt,
welche die Aktoren 45 bis 49 in den Aussparungen
hält. Zur
Stromversorgung der Aktoren 45 bis 49 sind an
der Stirnseite der Nabe 57 Schleifringe 65, 66 in
einen Isolator 67 eingebettet. Jeweils über Leitungen 68 bis 71 stehen
die Schleifringe 65, 66 mit den Aktoren 45 bis 49 in
Verbindung.
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9 zeigt
näher die
Anordnung des Piezoaktors 46 in einer Aussparung 72 der
Nabe 57. Der Piezoaktor 46 besitzt seitliche Anschlüsse 73, 74,
die isoliert angeordnet sind und von denen die Leitungen 68, 69 zu
den Schleifringen 66, 65 führen. An den Seitenwänden 75, 76 der
Aussparung 72 sind Kalotten 77, 78 angeordnet,
in denen kugelförmige
Druckstücke 79, 80 sitzen,
die am Piezoaktor 46 befestigt sind.
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In 10 ist
eine Einrichtung zum Heranführen
von Kontakten 81, 82 an die Schleifringe 65, 66 gezeigt.
Die Kontakte 81, 82 sind am Ende eines Kolbens 83 angeordnet,
der mit einem ortsfesten, pneumatischen Zylinder 84 zusammenwirkt.
Die Kontakte 81, 82 stehen über flexible Leitungen 85, 86 mit
einer Stromversorgung 87 in Verbindung. Eine Feder 88 dient
zum Zurückstellen
des Kolbens 83 in eine Ruheposition. Am Zylinder 84 befindet
sich ein Anschluss 89 für
Druckluft.
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Wird
der Zylinder 84 über
den Anschluss 89 mit Druckluft beaufschlagt, dann bewegt
sich der Kolben 83 mit den Kontakten 81, 82 in
Richtung der Schleifringe 65, 66. Berühren die
Kontakte 81, 82 die Schleifringe 65, 66,
dann wird an den Piezoaktoren 46 Spannung angelegt bzw.
die Erregerspulen 62 der magnetostriktiven Aktoren 48 von
Strom durchflossen. Die Aktoren 45 bis 49 dehnen
sich aus und üben jeweils
eine Kraftwirkung F5 gegen die Seitewände 75, 76 der
Aussparungen 72 aus. Durch die mit den kugelförmigen Druckstücken 79, 80 und
den Kugelkalotten 77, 78 gebildeten Gelenke wird
eine zweidimensionale Bewegung der Aktoren 45 bis 49 ermöglicht und
eine Knickbelastung vermieden. Die Nabe 57 wird am Umfang
aufgeweitet, wodurch der Presssitz 58 zur Nabe 51 des
Zahnrades 50 aufgehoben wird. In diesem Zustand sind das
Zahnrad 50 und der Zahnkranz 53 frei zueinander
um die Drehachse 59 drehbar.
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Wird
die Druckluft am Anschluss 89 weggenommen, dann wird der
Kolben 83 durch die Feder 88 von den Schleifringen 65, 66 wegbewegt.
Die Aktoren 45 bis 49 werden spannungs- bzw. stromlos
geschaltet, wobei die Kraftwirkung F5 auf die Seitenwände 75, 76 verschwindet
und der Presssitz 58 für eine
Drehmomentenübertragung
zwischen dem Zahnrad 50 und dem Zahnkranz 53 wieder
hergestellt wird.
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- 1
- Zahnrad
- 2
- Wellenzapfen
- 3
- Zahnrad
- 4
- Nabe
- 5
- Nut
- 6
- Piezoaktor
- 7,
8
- Druckstück
- 9
- Drehachse
- 10
- Piezoaktor
- 11
- Wellenzapfen
- 12,
13
- Zahnrad
- 14
- Nabe
- 15,
15
- Druckstück
- 17
- Nutz
- 18
- Zahnrad
- 19
- Wellenzapfen
- 20
- Nabe
- 21
- Zahnkranz
- 22,
23
- Seitenfläche
- 24
- Drehachse
- 25
- Seitenfläche
- 26
- Scheibe
- 27
- Aussparung
- 28
- Piezoaktor
- 29,
30
- Druckstück
- 31
- Wand
- 32
- Drehachse
- 33
- Piezoaktor
- 34
- Zahnrad
- 35
- Wellenzapfen
- 36
- Nabe
- 37
- Zahnkranz
- 38
- Seitenfläche
- 39
- Scheibe
- 40,
41
- Seitenfläche
- 42,
43
- Druckstück
- 44
- Seitenfläche
- 45-49
- Aktor
- 50
- Zahnrad
- 51
- Nabe
- 52
- Wellenzapfen
- 53
- Zahnkranz
- 54
- Sicherungsring
- 55
- Tellerfeder
- 56
- Scheibe
- 57
- Nabe
- 58
- Presssitz
- 59
- Drehachse
- 60
- Ausdrehung
- 61
- Spielpassung
- 62
- Erregerspule
- 63
- Schutzblech
- 64
- Schutzhülle
- 65,
66
- Schleifring
- 67
- Isolator
- 68-71
- Leitung
- 72
- Aussparung
- 73,
74
- Anschluss
- 75,
76
- Seitenwand
- 77,
78
- Kalotte
- 79,
80
- Druckstück
- 81,
82
- Kontakt
- 82
- Kolben
- 84
- Zylinder
- 85,
86
- Leitung
- 87
- Stromversorgung
- 88
- Feder
- 89
- Anschluss