DE102009035339A1

DE102009035339A1 - Metallischer Kupplungsring für eine elastische Scheibenkupplung

Info

Publication number: DE102009035339A1
Application number: DE200910035339
Authority: DE
Inventors: Juri Ferderer
Original assignee: Stromag GmbH
Current assignee: Stromag GmbH
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2011-01-27

Abstract

Ein derartiger metallischer Kupplungsring mit einem konzentrisch zu einer Kupplungsdrehachse ausgerichteten Ringkörper mit wenigstens einer Reihe von in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Zähnen und dazwischenliegenden Zahnlücken ist bekannt. Erfindungsgemäß sind auf Höhe der Zähne und/oder auf Höhe der Zahnlücken achsparallel erstreckte Materialausnehmungen vorgesehen, die zu wenigstens einer Stirnseite des Ringkörpers hin offen sind. Einsatz für hochelastische Scheibenkupplungen.

Description

Die Erfindung betrifft einen metallischen Kupplungsring für eine elastische Scheibenkupplung mit einem konzentrisch zu einer Kupplungsdrehachse ausgerichteten Ringkörper mit wenigstens einer Umfangsreihe von radial ausgerichteten Zähnen und dazwischen liegenden Zahnlücken.
Derartige metallische Kupplungsringe sind als Anschlussringe für elastische Scheibenkupplungen durch Periflex-Scheibenkupplungen der Anmelderin allgemein bekannt. Der Anschlussring ist aus Metall einstückig hergestellt und weist einen Anschlussflansch auf, um an einem entsprechenden Bauteil befestigt zu werden. Radial innenseitig ist der Anschlussring mit einer Kupplung versehen, die zur Aufnahme eines entsprechenden, mit einer korrespondierenden Außenkupplung versehenen Elastomerkörpers dient. Der Elastomerkörper ist mit einer Kupplungsnabe verbunden, die mit dem anderen zu kuppelnden Bauteil verbindbar ist. Durch die Kupplung ist eine Drehmomentübertragung ermöglicht. Die elastische Nachgiebigkeit des Elastomerkörpers gleicht Achs- und Winkelversatz zwischen den Drehachsen der beiden zu kuppelnden Bauteile aus. Die so gebildete Scheibenkupplung ist eine steckbare Kupplung.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen metallischen Kupplungsring der eingangs genannten Art zu schaffen, der im Betrieb eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht gewährleistet.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass auf Höhe der Zähne und/oder auf Höhe der Zahnlücken achsparallel erstreckte Materialausnehmungen vorgesehen sind, die zu wenigstens einer Stirnseite des Ringkörpers hin offen sind. Dadurch wird eine Gewichtsreduzierung des Kupplungsringes erzielt. Dadurch, dass die Materialausnehmungen auf radialer Höhe der Zähne und/oder der Zahnlücken vorgesehen sind und die Materialausnehmungen sich achsparallel erstrecken, wird eine Festigkeitsreduzierung vermieden, die eine verringerte Drehmomentübertragung bewirken würde. Die Materialausnehmungen sind an schwach oder an nicht beanspruchten Bereichen des Kupplungsringes vorgesehen. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird eine Gewichtsreduktion erzielt. Gleichzeitig wird durch die Materialausnehmungen eine relativ gleichbleibende Materialstärke des Ringkörpers erreicht, wodurch sich verbesserte Festigkeitseigenschaften erzielen lassen. Durch die Gewichtsreduzierung ergibt sich eine verminderte Fliehkraftbeanspruchung. Der reduzierte Einsatz von metallischem Material schafft eine Kostenreduzierung bei der Herstellung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ringkörper einschließlich der Materialausnehmungen durch Urformen, insbesondere durch ein metallisches Gießverfahren, hergestellt. Dies ist besonders vorteilhaft, da hierdurch eine kostengünstige Herstellung erzielbar ist.
In vorteilhafter Weise wird der metallische Kupplungsring als Leichtmetallgussteil oder auch aus Grauguss hergestellt. Vorteilhaft wird für die Herstellung des metallischen Kupplungsringes gemäß der Erfindung die Beanspruchung unter Lastbedingungen rechnerisch simuliert. Dies erfolgt insbesondere durch eine Finite-Elemente-Methode. Anschließend werden an dem Kupplungsring nicht oder gering belastete Bereiche analysiert. In diesem Bereich wird durch die Materialausnehmungen entsprechendes Material entfernt. Die entsprechenden Vorgaben werden bei der Gestaltung eines entsprechenden Gusswerkzeugs, insbesondere einer Sandgussform, umgesetzt und eingearbeitet.
In Ausgestaltung der Erfindung sind die Materialausnehmungen im Bereich der Zähne stirnseitig in die Zähne eingebracht und im Querschnitt – von der Stirnseite aus gesehen – derart bemessen, dass Wandungsabschnitte der Materialausnehmungen zumindest weitgehend parallel zu entsprechenden Flanken des jeweiligen Zahnes verlaufen. Dadurch sind die Zähne von einer Stirnseite her hohl ausgeführt, wobei deren verbleibende Wandstärke ausreichend groß ist, um die entsprechenden Drehungen und Belastungen aufnehmen zu können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Ringkörper als Anschlussring mit einem an einer Stirnseite radial nach außen abragenden Ringflansch gestaltet. Dadurch ist eine einfache Befestigung an einem benachbarten Bauteil, insbesondere einem Schwungrad, erzielbar.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung verjüngt der Ringkörper sich im Querschnitt gesehen über seine axiale Erstreckung vom Ringflansch ausgehend. Die Verjüngung ist insbesondere keilartig ausgeführt. Diese Verjüngung trägt der Erkenntnis Rechnung, dass im Bereich des Ringflansches eine höhere Belastung und demzufolge auch eine höhere Materialstärke erforderlich ist als auf der gegenüberliegenden Axialseite.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung entspricht eine Tiefe jeder Materialausnehmung – in axialer Richtung gesehen – einer axiale Länge des Ringkörpers, geteilt durch einen Faktor von 1,98 bis 2,42. Dies ist eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Materialausnehmungen von gegenüberliegenden Stirnseiten des Ringkörpers aus eingebracht. Alle Materialausnehmungen stellen Sacklöcher dar, die parallel zur Drehachse des Kupplungsringes von einer axialen Stirnseite her in den Kupplungsring, d. h. den Ringkörper, hineinragen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung entspricht eine verbleibende Materialdicke zwischen den Zahnflanken und den benachbarten Wandungsabschnitten jeder von dem Ringflansch abgewandten Materialausnehmung einer Breite der Materialausnehmung auf ihrer der Zahnspitze zugewandten Seite geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich von 1,49 bis 1,82.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung entspricht eine Materialstärke jedes Zahnes zwischen der von dem Ringflansch abgewandten Materialausnehmung und der Zahnspitze einer radialen Höhe der Materialausnehmung geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich von 3,6 bis 4,4.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung entspricht bei jeder dem Ringflansch zugewandten Materialausnehmung im Bereich jedes Zahns eine Materialstärke zur jeweiligen Zahnspitze hin einer radialen Höhe der Materialausnehmung geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich zwischen 5,85 und 7,15.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung entspricht eine verbleibende Materialstärke zwischen dem Grund einer Zahnlücke und einer zugeordneten Materialausnehmung der radialen Höhe der Materialausnehmung geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich zwischen 0,96 und 1,17.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung entspricht eine Materialstärke zwischen der dem Ringflansch zugewandten Materialausnehmung und einer der Zahnlücke zugewandten Zahnflanke einer Breite der der Zahnlücke zugeordneten Materialausnehmung geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich zwischen 3,8 und 4,64.
Die zuvor beschriebenen Zahlen- und Verhältnisangaben sind besonders vorteilhafte Bereichsangaben, die zu einer Festigkeitserhöhung des Kupplungsringes bei gleichzeitiger erheblicher Gewichtsreduzierung beitragen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das anhand der Zeichnungen dargestellt ist.
1 zeigt in einer Frontansicht einen Teil einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen metallischen Kupplungsringes in Form eines Anschlussringes für eine elastische Scheibenkupplung,
2 einen Längsschnitt durch den Kupplungsring nach 1 entlang der Schnittlinie II-II in 1,
3 einen weiteren Längsschnitt entlang der Schnittlinie III-III in 1 durch den Kupplungsring nach 1,
4 in vergrößerter Darstellung in einer Frontansicht einen Teilbereich des Kupplungsringes auf Höhe eines Zahnes,
5 in gleichem Maßstab wie 4 eine Rückansicht eines Teiles des Kupplungsringes auf Höhe eines Zahnes und
6 in gleichem Maßstab wie die 4 und 5 eine Rückansicht eines Teilbereiches des Kupplungsringes im Bereich einer Zahnlücke.
Ein Kupplungsring 1 nach den 1 bis 6 stellt einen metallischen Anschlussring für eine elastische Scheibenkupplung dar, der als einteiliger Ringkörper gestaltet ist. Der Anschlussring 1 stellt ein metallisches Gussbauteil dar und ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch zu einer Drehachse D gestaltet, die eine Drehachse der Scheibenkupplung bildet.
Der Ringkörper ist mit einer radial nach innen ragenden Kupplung versehen, die aus einer in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilten Reihe von radial zur Drehachse D nach innen ragenden Zähnen 8 und jeweils alternierend zwischen den Zähnen 8 angeordneten Zahnlücken 9 besteht. Die Zähne 8 und Zahnlücken 9 sind einstückig im Ringkörper 3 ausgeformt, der an einer axialen Stirnseite einen radial nach außen ragenden Ringflansch 2 aufweist. Der Ringflansch 2 ist mit einer Vielzahl von Bohrungen versehen, die zur Fixierung an einem korrespondierenden Bauteil mit einem Flansch eines Schwungrades oder Ähnlichen dient. Der Ringflansch 2 ist radial innen mit einer Ringschräge 4 versehen, die eine Anfasung zum Ringkörper 3 bildet. Der Ringkörper 3 ist im Längsschnitt (2 und 3) von der Axialseite, auf der der Ringflansch 2 vorgesehen ist, zu der gegenüberliegenden axialen Stirnseite (in den 2 und 3 die linke Seite) verjüngt gestaltet. Die Verjüngung erfolgt keilartig. Dadurch fällt ein Außenmantel des Ringkörpers 3 ausgehend vom Ringflansch 2 bis hin zur gegenüberliegenden axialen Stirnseite des Ringkörpers gleichmäßig schräg ab, so dass sich ein kegelstumpfartiger Außenmantel ergibt.
Der Ringkörper 3 ist mit mehreren Materialausnehmungen 5 bis 7 versehen, die entweder auf radialer Höhe der Zähne 8 (Materialausnehmungen 5 und 6) oder auf radialer Höhe der Zahnlücken 9 (Materialausnehmungen 7) angeordnet sind. Alle Materialausnehmungen 5 bis 7 sind bereits bei der Herstellung des Ringkörpers 3, d. h. bei der Herstellung des Gussbauteils, eingebracht und stellen Sacklöcher dar. Alle Materialausnehmungen 5 bis 7 sind von einer der beiden axialen Stirnseiten des Ringkörpers 3 und damit des Anschlussringes 1 ausgehend in den Ringkörper 3 eingebracht. Alle Materialausnehmungen 5 bis 7 erstrecken sich achsparallel zur Drehachse D, die einer Rotationsachse des Anschlussringes 1 entspricht. Alle Materialausnehmungen 5 bis 7 behalten über ihre gesamte axiale Länge den gleichen freien Querschnitt bei. Die Materialausnehmungen 5 und 6 sind mit einem zumindest im Wesentlichen trapezförmigen freien Querschnitt versehen. Die Materialausnehmungen 7 sind mit einem zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt versehen. Die Abmessungen aller Materialausnehmungen 5 bis 7 sind durch ein Datenverarbeitungsprogramm mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode berechnet, wobei dieses Datenverarbeitungsprogramm ein Simulationsprogramm darstellt, das die Beanspruchung des Anschlussringes 1 unter bekannten Lastbedingungen beim Einsatz innerhalb einer elastischen Scheibenkupplung berechnet. Die Materialausnehmungen 5 bis 7 sind ausschließlich in den Bereichen in dem Ringkörper 3 eingebracht, die aufgrund einer Analyse des Berechnungsergebnisses des Simulationsprogrammes nicht oder sehr niedrig beanspruchte Bereiche darstellen. Die Materialausnehmungen 5 bis 7 sind so gestaltet, dass die zwischen den Außenkonturen des Ringkörpers 3 und den Materialausnehmungen 5 bis 7 verbleibenden Materialstärken des Ringkörpers ausreichend groß sind, um wenigstens die gleichen Belastungen übertragen zu können, wie dies bei einem Vollkörper ohne Materialausnehmungen der Fall wäre. Die Gewichtsreduzierung aufgrund der Materialausnehmungen 5 bis 7 führt im Betrieb zu reduzierten Fliehkraftbeanspruchungen und demzufolge insgesamt sogar zu besseren Festigkeitswerten als bei einem Vollkörper mit gleichen Außenkonturen und Außenabmessungen wie der vorliegende Ringkörper 3.
Die Tiefe der Materialausnehmungen 5 bis 7 – auf die Drehachse D bezogen somit die axiale Tiefenerstreckung – muss entsprechend der axialen Gesamtlänge des Ringkörpers 3 und damit des Kupplungsringes 1 (in Richtung der Drehachse D gesehen) geteilt durch einen Faktor im Bereich von 1,98 bis 2,42 bemessen sein.
Die von der Frontseite des Anschlussringes 1, d. h. von der dem Ringflansch 2 gegenüberliegenden axialen Stirnseite her – eingebrachten Materialausnehmungen 6 – belassen zur jeweiligen Zahnspitze jedes Zahnes 8 eine Materialstärke s₂, die der radialen Höhe h₁ jeder Materialausnehmung 6 geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich von 3,6 bis 4,4 entspricht. Die seitliche Materialstärke s₁ zwischen jeder Materialausnehmung 6 und den seitlichen Zahnflanken entspricht der radial außenliegenden Breite b₁ der jeweiligen Materialausnehmung 6 geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich zwischen 2,16 und 2,64. Die untere, d. h. radial innenliegende Breite b₂ der Materialausnehmung 6 entspricht 2,16 bis 2,64 mal der Materialstärke s₁.
Zwischen einer von der rückseitigen Stirnseite, d. h. der dem Ringflansch 2 zugewandten Stirnseite her, in den Ringkörper 3 eingebrachten Materialausnehmung 5 verbleibt zwischen der Materialausnehmung 5 und der Zahnspitze eine Materialstärke s₃, die der radialen Höhe h₂ der Materialausnehmung 5 geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich zwischen 5,85 und 7,15 entspricht. Da die Materialstärken s₂ und s₃ vorzugsweise gleich groß bemessen sind, ist durch die beschrieben Zahlen auch die Relation zwischen der radialen Höhe h₁ der Materialausnehmung 6 und der radialen Höhe h₂ der Materialausnehmung 5 festgelegt. Die radial innenliegende Breite b₃ der Materialausnehmung 5 und die entsprechend radial außenliegende Breite b₄ der Materialausnehmung 5 definieren sich wie folgt: Die Breite b₃ ist identisch mit der Breite b₂ der gegenüberliegenden Materialausnehmung 6. Die Breite b₄ entspricht 2,57 bis 3,14 mal der Wandstärke s₄ (6). Diese Wandstärke s₄, die auch als Materialstärke s₄ bezeichnet wird, ist die Materialstärke zwischen jeder seitlichen Zahnflanke jedes Zahnes 8 und den großen trapezförmigen Materialausnehmungen 5. Die Wandstärke s₄ ist somit auch über die radial außen liegende Breite b₄ der Materialausnehmung 5 geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich zwischen 2,57 und 3,14 zu berechnen.
Eine Materialstärke S₅ zwischen einem Zahngrund 9 und jeder radial nach außen versetzten Materialausnehmung 7 entspricht dem 0,96 bis 1,17-fachen der radialen Höhe h₃ der Materialausnehmung 7. Die Breite b₅ der Materialausnehmung 7 entspricht der Materialstärke s₄ multipliziert mit einem Zahlenwert aus dem Bereich zwischen 3,8 und 4,64.

Claims

Metallischer Kupplungsring für eine elastische Scheibenkupplung mit einem konzentrisch zu einer Kupplungsdrehachse ausgerichteten Ringkörper mit wenigstens einer Umfangsreihe von radial ausgerichteten Zähnen und dazwischen liegenden Zahnlücken, dadurch gekennzeichnet, dass auf Höhe der Zähne (8) und/oder auf Höhe der Zahnlücken (9) achsparallel erstreckte Materialausnehmungen (5 bis 7) vorgesehen sind, die zu wenigstens einer Stirnseite des Ringkörpers (3) hin offen sind.
Kupplungsring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (3) einschließlich der Materialausnehmungen (5 bis 7) durch Urformen hergestellt ist.
Kupplungsring nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialausnehmungen (5 und 6) im Bereich der Zähne (8) stirnseitig in die Zähne (8) eingebracht sind und im Querschnitt – von der Stirnseite aus gesehen – derart bemessen sind, dass Wandungsabschnitte der Materialausnehmungen (5, 6) zumindest weitgehend parallel zu entsprechenden Flanken des jeweiligen Zahnes (8) verlaufen.
Kupplungsring nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (3) als Anschlussring mit einem an einer Stirnseite radial nach außen abragenden Ringflansch (2) gestaltet ist.
Kupplungsring nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkörper (3) sich im Längsschnitt gesehen über seine Axialerstreckung vom Ringflansch (2) ausgehend keilartig verjüngt.
Kupplungsring nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tiefe jeder Materialausnehmung (5 bis 7) – in axialer Richtung gesehen – einer axialen Länge des Ringkörpers (3) geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich von 1,98 bis 2,42 entspricht.
Kupplungsring nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Materialausnehmungen (5 bis 7) von gegenüberliegenden Stirnseiten des Ringkörpers (3) aus eingebracht sind.
Kupplungsring nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine verbleibende Materialstärke s₁ zwischen den Zahnflanken und den benachbarten Wandungsabschnitten jeder dem Ringflansch (2) abgewandten Materialausnehmung (6) einer Breite b₂ der Materialausnehmung (6) auf ihrer der Zahnspitze zugewandten Seite geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich von 1,49 bis 1,82 entspricht.
Kupplungsring nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke s₂ jedes Zahnes (8) zwischen der von dem Ringflansch (2) abgewandten Materialausnehmung (6) und der Zahnspitze einer radialen Höhe h₁ der Materialausnehmung (6) geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich von 3,6 bis 4,4 entspricht.
Kupplungsring nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei jeder dem Ringflansch (2) zugewandten Materialausnehmung (5) im Bereich jedes Zahnes (8) eine Materialstärke s₃ zur jeweiligen Zahnspitze hin einer radialen Höhe h₂ der Materialausnehmung (5) geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich zwischen 5,85 und 7,15 entspricht.
Kupplungsring nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine verbleibende Materialstärke s₅ zwischen dem Grund einer Zahnlücke (9) und einer zugeordneten Materialausnehmung (7) der radialen Höhe h₃ der Materialausnehmung (7) geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich zwischen 0,96 und 1,17 entspricht.
Kupplungsring nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Materialstärke s₄ zwischen der dem Ringflansch (2) zugewandten Materialausnehmung (5) und einer der Zahnlücke (9) zugewandten Zahnflanke jedes Zahnes (8) einer Breite b₅ der der Zahnlücke zugeordneten Materialausnehmung (7) geteilt durch einen Zahlenwert aus dem Bereich zwischen 3,8 und 4,64 entspricht.