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Die Erfindung betrifft eine Axialschaltkupplung. Hierunter sind im Sinne der vorliegenden Erfindung Kupplungen zu verstehen, die nicht zur Übertragung eines Drehmoments, sondern zur Übertragung einer axialen Zugkraft vorgesehen sind.
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Die
US 4,993,755 A offenbart eine Schnellkupplung für Rohrleitungen, die eine Zugsicherung in Längsrichtung der Rohrleitung besitzt. Die Kupplung besitzt eine Rasthülse und einen in die Rasthülse verlagerbaren Rastkörper. Der Rastkörper besitzt eine radial äußere Kupplungsnut, die für den formschlüssigen Eingriff von Kupplungszungen der Rasthülse vorgesehen ist. Die Kupplungszungen besitzen auf ihrer radial äußeren Umfangsseite eine Auflauffläche für den Wirkeingriff mit einem Stellring. Der Stellring ist unter dem Einfluss einer Stellkraft in Axialrichtung verlagerbar und dafür vorgesehen, auf der Auflauffläche aufzulaufen und die Kupplungszungen nach radial innen zu verlagern, um den Eingriff mit der Kupplungsnut des Rastkörpers zu ermöglichen. In der Einrastposition sind die Kupplungszungen blockierbar. Das Blockieren bzw. das Entriegeln erfolgt manuell.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Bauform einer solchen Axialkupplung aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe ist bei einer schaltbaren Kupplung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Erfindung betrifft eine s elektrisch schaltbare Kupplung. Bevorzugt handelt es sich um eine elektromagnetisch wirkende Rastkupplung.
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Die erfindungsgemäße Rastkupplung bildet zwei miteinander in Eingriff gelangende Kupplungsteile, nämlich zum einen eine Rasthülse und einen in die Rasthülse eingliederbaren Rastkörper. Der Rastkörper kann als Ring oder auch als Schaft ausgebildet sein. Maßgeblich ist, dass der Rastkörper eine radial äußere Kupplungsnut aufweist, die für den formschlüssigen Eingriff von Kupplungszungen der Rasthülse vorgesehen ist. Mehrerer dieser Kupplungszungen sind umfangsseitig des Rastkörpers verteilt angeordnet. Die Kupplungszungen sind bevorzugt gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet und insbesondere nur durch schmale Schlitze von benachbarten Kupplungzungen getrennt.
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Die Verlagerung der Kupplungszungen erfolgt mittels eines Stellrings, der auf radial äußeren Auflaufflächen der Kupplungszungen aufläuft, wenn die Kupplung geschaltet wird. Der Stellring ist unter dem Einfluss einer Stellkraft in Axialrichtung der Kupplung verlagerbar. Wenn der Stellring mit den Kupplungszungen in Wirkeingriff gelangt, weichen die Kupplungszungen dem Stellring aus. Sie werden nach radial innen verlagert, wodurch sich eine Durchmesserreduzierung der Rasthülse ergibt. Diese Reduzierung im Durchmesser, die auch als ringförmige Einschnürung bezeichnet werden kann, führt zu dem formschlüssigen Eingriff der Kupplungszungen mit der Kupplungsnut.
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Das Entkuppeln erfolgt, indem der Stellring in entgegengesetzte Richtung verlagert wird. Der Stellring weicht dabei den Kupplungszungen aus. Dadurch können die Kupplungszungen wieder in ihre Ausgangsposition gelangen. Der Formschluss mit der Kupplungsnut wird aufgehoben. Die Kupplung befindet sich schließlich im geöffneten Zustand, sodass sich der Rastkörper wieder relativ zur Rasthülse in Axialrichtung verlagern kann.
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Eine solche Kupplung kann insbesondere im Zusammenhang mit Bremsvorrichtungen zum Einsatz kommen. Beispielsweise müssen Bremsvorrichtungen bei Windkraftanlagen so konfiguriert sein, dass bei einem Stromausfall der Rotor festgesetzt wird. Zu diesem Zweck kommen elektromagnetische Rastkupplungen zum Einsatz. Die erfindungsgemäße Kupplung hat gegenüber anderen Kupplungen den Vorteil einer sehr kompakten Bauweise. In der Ausführung als elektromechanische Kupplung kann sie zudem mit einer relativ geringen Spulenleistung zur Erzeugung einer Magnetkraft betrieben werden, während aufgrund der besonderen Konfiguration der Formschlusselemente Zugkräfte bei der gegebenen Leistung von bis zu 10 kN übertragen werden können. Das Verhältnis zwischen der Leistungsaufnahme und der übertragbaren Zugkraft ist daher sehr günstig.
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Zudem hat sich herausgestellt, dass der Verschleiß bei dieser Art der Kupplungsgestaltung relativ gering ist. Der Verschleiß kann zusätzlich dadurch reduziert werden, dass die miteinander in Eingriff gelangenden Flächen der Rasthülse und/oder des Rastkörpers und/oder des Stellrings mit einer Verschleißschutzschicht versehen sind. Grundsätzlich sollen diese miteinander in Eingriff genannten Flächen geschmiert werden, um eine Selbsthemmung zu verhindern. Zudem kann der Stellring noch mit einem Gleitlack versehen sein, beispielsweise mit der Handelsbezeichnung Gliss-Coat 200 W 60 P.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Axialschaltkupplung ist, dass die Kupplung sowohl im lastfreien als auch im belasteten Zustand, d. h. bei Anliegen einer Zugkraft geschaltet werden kann.
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Wesentlicher Bestandteil der erfindungsgemäßen Kupplung sind die Kupplungszungen, die gewissermaßen einen Käfig bilden, in welchen der Rastkörper eingliederbar ist. Die Kupplungszungen sind hierzu mit ihrem einen Ende mit der Rasthülse verbunden. Ihr anderes, freies Ende ist radial verlagerbar und besitzt nach innen gerichtete Nocken für den Eingriff mit der Kupplungsnut.
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Die Kupplungszungen sind insbesondere für eine selbsttätige Rückstellung in einer Ausgangsposition konfiguriert. Hierzu besitzen sie zwischen ihren Enden einen federnden Mittelabschnitt. Die Kupplungszungen müssen mithin eine bestimmte Länge aufweisen, sodass eine Federbewegung im elastischen Bereich der verwendeten Werkstoffe erfolgt. Beispielsweise können die Kupplungszungen (je nach Länge) um einen Winkel von 2° bis 5° ausgelenkt werden. Mit zunehmender Länge kann die Auslenkung in Radialrichtung gesteigert werden, was allerdings zu Lasten der Baugröße geht. Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn der Auslenkungswinkel 3° +/– 1° beträgt, da sich dadurch kurze Baulängen bei hinreichender Auslenkung realisieren lassen.
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Es ist im Rahmen der Erfindung möglich, die Kupplungszungen als separate Bauteile auszubilden. Vorteilhafterweise handelt es sich bei den Kupplungszungen jedoch um materialeinheitliche, einstückige Bestandteile der Rasthülse. Die Rasthülse kann mithin im Bereich der Kupplungszungen ein rohrförmiger Körper sein, wobei die Rohrwand Längsschlitze zur Ausbildung der einzelnen Kupplungszungen aufweist. Die Längsschlitze sind so breit, dass die einzelnen Kupplungszungen sich über den erforderlichen Federweg unabhängig voneinander bewegen können und nicht aneinander stoßen.
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Als Material für die Rasthülse und/oder den Rastkörper und/oder den Stellring kann AlZnMgCu1,5 (Werkstoffnummer 3.4365) verwendet werden.
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Zur Vermeidung einer Selbsthemmung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Auflauffläche in der Eingriffsposition in einem Winkel von 20° +/– 3° zur Längsachse der Kupplung steht. Die Auflauffläche befindet sich in der Eingriffsposition möglichst parallel zur Stützfläche des Stellrings, die mithin ebenfalls in einem Winkel von 20° +/– 3° zur Längsachse der Kupplung steht. Die Auflauffläche an den Kupplungszungen steht vor Erreichen der Eingriffsposition in einem kleineren Winkel zur Längsachse und mithin nicht parallel zur Stützfläche. Grundsätzlich ist es aber auch denkbar, die Auflauffläche nicht als Ebene zu gestalten, sondern gekrümmt auszuführen. Eine maximale Abstützung und damit minimale Flächenpressung ergibt sich jedoch dann, wenn die Auflauffläche und die Stützfläche in der Rastposition parallel zueinander liegen.
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Die Nocken an den Kupplungszungen müssen den Rastkörper sicher halten. Andererseits darf jedoch auch keine Selbsthemmung auftreten. Daher ist vorgesehen, dass die Nutwand bzw. die Kontaktfläche der Nocken, die mit der Nutwand der Kupplungsnut in Kontakt bringbar ist, in einem Winkel von 110° +/– 5° zur Längsachse der Kupplung stehen. Dadurch nimmt die Breite der Kupplungsnut nach radial außen zu, sie erweitert sich. Zum Lösen der Kupplung muss der Kupplungsbund mithin nicht zuerst entgegen der Zugrichtung verlagert werden, damit die Nocken außer Eingriff gebracht werden können. Vielmehr gleiten die Nocken bei Freigabe der Kupplungszungen selbsttätig aus der Kupplungsnut heraus.
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Der Stellring ist von einer Federkraft in seiner axialen Ausgangsposition gehalten, sodass sich die Kupplung, wenn keine Stellkraft aufgebracht wird, immer im entkuppelten Zustand befindet.
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In konstruktiver Hinsicht wird der Stellring bevorzugt radial außenseitig in einem Kupplungsgehäuse axial verlagerbar geführt. Hierzu befindet sich ein Ringspalt zwischen dem Kupplungsgehäuse der Rasthülse. In diesen Ringspalt greift eine Führungshülse des Stellrings ein, wobei aufgrund der erforderlichen Länge der Kupplungszungen eine hinreichende Lagerfläche für eine exakte axiale Führung zur Verfügung steht. Zudem wird durch die axiale Führung des Stellrings sichergestellt, dass alle Kupplungszungen gleichmäßig belastet werden.
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Die Rasthülse ist das kraftübertragende Bauteil der Kupplung. Sie besitzt in bevorzugter Ausgestaltung einen Boden, an dessen einen Seite die Kupplungszungen angeordnet sind und an dessen gegenüberliegender Seite ein Befestigungszapfen angeordnet ist. Dieser dient als Koppelmittel, um die Kupplung mit einem Widerlager zu verbinden. An der Rasthülse ist das Kupplungsgehäuse befestigt. In dem Kupplungsgehäuse befinden sich Mittel zur Übertragung der Stellkraft auf den Stellring.
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In dem Kupplungsgehäuse wird auch der Rastkörper umfangsseitig geführt. Diese Führung ist notwendig, um einen gleichmäßigen Eingriff der Kupplungszungen und der Kupplungsnut am Rastkörper zu gewährleisten. Mithin umschließt das Kupplungsgehäuse sowohl den Rastkörper als auch die Rasthülse.
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Das Kupplungsgehäuse dient insbesondere auch zur Aufnahme einer mit dem Stellering verbundenen Ankerscheibe, die dafür vorgesehen ist, beim Schalten der Kupplung unter dem Einfluss einer Magnetkraft axial verlagert zu werden. Die Ankerscheibe wirkt bevorzugt mit einer in dem Magnetgehäuse angeordneten Spule zusammen, welche den Rastkörper umgibt.
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Die erfindungsgemäße elektromagnetische Axialrastschaltkupplung ist besonders platzsparend. Zudem kann bei niedrigem Energieaufwand eine hohe Rastkraft realisiert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine Schnittdarstellung durch die erfindungsgemäße Schaltkupplung im entkuppelten Zustand mit verlagertem Rastkörper;
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2 die Schaltkupplung der 1 in der Schnittdarstellung mit dem Rastkörper unmittelbar vor dem Schließen der Kupplung;
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3 die Kupplung der 1 und 2 in gekuppelter Stellung und
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4 einen vergrößerten Ausschnitt der Schaltkupplung im Bereich der Kupplungsnut.
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Die 1 bis 3 zeigen in der Schnittdarstellung eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kupplung 1. Die Kupplung 1 besitzt als wesentliche, eine Zugkraft übertragenden Komponenten eine Rasthülse 2 und einen relativ zur Rasthülse 2 verlagerbaren Rastkörper 3, der in Axialrichtung der Kupplung linear verlagerbar ist. Der Pfeil P in 2 verdeutlicht die Bewegungsrichtung des Rastkörpers 3, die zum Einkuppeln notwendig ist.
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Der Rastkörper 3 zeichnet sich durch eine umlaufende radial äußere Kupplungsnut 4 aus, in welche Kupplungszungen 5 eingreifen können. Die Kupplungszungen 5 sind Bestandteil der Rasthülse 2. Sie besitzen an ihren freien Enden Nocken 6, die radial nach innen verlagerbar sind. Die Nocken 6 greifen dabei in die Kupplungsnut 4, so wie es in den 3 und 4 zu erkennen ist. Die Verlagerung der Kupplungszungen 5 bewirkt eine Einschürung der Rasthülse 2 im Bereich der freien Enden der Kupplungszungen 5. Diese Verlagerung oder Einschnürung wird durch einen Stellring 7 bewirkt, der in Axialrichtung der Kupplung 1 verlagerbar ist. Der Stellring 7 ist hierfür mit einer Stützfläche 8 versehen. Die Stützfläche 8 ist in den Schnittdarstellungen als Schräge gezeichnet. In räumlicher Darstellung handelt es sich um einen Konus. Wird der Stellring 7 in der Bildebene der 1 bis 3 nach links verlagert, stützen sich die Kupplungszungen 5 mit ihrer radial äußeren Umfangsseite an der Stützfläche 8 ab. Dabei gelangt eine Auflauffläche 9 der Kupplungszungen 5 in flächige Anlage an der Stützfläche 8 (4).
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4 zeigt in vergrößerter Darstellung das Zusammenspiel zwischen der Rasthülse 2 und dem Rastkörper 3. Es ist zu erkennen, dass die Kupplungszungen 5 gegenüber der Längsachse der Kupplung 1 um den Winkel W3 ausgelenkt sind. Der Winkel W3 beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 3°.
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Der Winkel W1 bezeichnet den Winkel zwischen der Stützfläche 8 und der Längsachse der Kupplung 1. In der hier dargestellten Position entspricht der Winkel W1 gleichzeitig dem Winkel der Auflauffläche 9 der Kupplungszungen 5 in der Rastposition. Der Winkel W1 beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 20°.
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Der Winkel W2 bezeichnet die Neigung einer Nutwand 10, an welcher der Nocken 6 mit einer Kontaktfläche 11 anliegt. Er ist größer als 90° und beträgt konkret 110°, gemessen zur Längsachse der Kupplung 1. Durch die gewählten Winkel wird eine Selbsthemmung verhindert. Die Nocken 6 greifen bei diesem Ausführungsbeispiel um das Maß h = 1,5 mm in die Kupplungsnut 4 ein.
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Die erfindungsgemäße Kupplung umfasst ferner ein Kupplungsgehäuse 12, welches die Rasthülse 2 ringförmig umgibt. In dem Kupplungsgehäuse 12 befindet sich eine ringförmige Spule 13, welche ebenfalls die Rasthülse 2 umgibt. Mit der Spule 13 wirkt eine Ankerscheibe 14 zusammen, die mit dem Stellring 7 verbunden ist. Wenn die Spule 13 über den elektrischen Anschluss 15 bestromt wird, zieht die daraus resultierende Magnetkraft die Ankerscheibe 14 in Richtung dieser Spule 13. Dadurch wird der Stellring 7 auf die Rasthülse 2 gezogen, sodass die freien Enden der Kupplungszungen 6 nach radial innen verlagert werden, mit der Folge, dass die Nocken 6 in die Kupplungsnut 4 greifen. In dieser Position ist die Kupplung 1 geschaltet. Eine in Richtung des Pfeils P1 (3) wirkende Zugkraft kann übertragen werden.
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Bei einem Stromausfall wird die Ankerscheibe 14 freigegeben. Federn 16, die umfangsseitig der Rasthülse 2 angeordnet sind und sich an dem Kupplungsgehäuse 12 abstützen, drücken den Stellring 7 wieder zurück und verlagern ihn somit in die Ausgangsposition. Dadurch werden die Kupplungszungen 5 freigegeben und können sich aufgrund materialbedingter Rückstellkräfte wieder in ihre Ausgangsposition verlagern. Die Kupplung ist geöffnet.
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Der Stellring 7 wird in dem Gehäuse 12 geführt. Hierzu besitzt er einen zylindrischen Führungsstutzen 17, welcher die Rasthülse 2 umgreift und außenseitig mit dem Kupplungsgehäuse 12 in Kontakt steht.
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Das Kupplungsgehäuse 12 ist zweiteilig aufgebaut. In der Bildebene links befindet sich das sogenannte Magnetgehäuse 18, das mit einem Boden 19 der Rasthülse 2 verschraubt ist. An den Boden 19 schließt sich ein Befestigungszapfen 20 an, welcher aus dem Kupplungsgehäuse 12 herausgeführt ist. In der Bildebene rechts befindet sich ein Führungsgehäuse 21, das ebenfalls Teil des Kupplungsgehäuses 12 ist. Das Führungsgehäuse 21 ist mit dem Magnetgehäuse 18 verschraubt. Das Führungsgehäuse 21 besitzt einen Zylinderabschnitt 22, der von dem Befestigungszapfen 20 wegweist und zur Aufnahme des Rastkörpers 3 dient. Der Rastkörper 3 wird innerhalb des Zylinderabschnitts 22 geführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kupplung
- 2
- Rasthülse
- 3
- Rastkörper
- 4
- Kupplungsnut
- 5
- Kupplungszungen
- 6
- Nocken
- 7
- Stellring
- 8
- Stützfläche
- 9
- Auflauffläche
- 10
- Nutwange
- 11
- Kontaktfläche
- 12
- Kupplungsgehäuse
- 13
- Spule
- 14
- Ankerscheibe
- 15
- Anschluss
- 16
- Feder
- 17
- Führungsstutzen
- 18
- Magnetgehäuse
- 19
- Boden
- 20
- Befestigungszapfen
- 21
- Führungsgehäuse
- 22
- Zylinderabschnitt
- h
- Maß
- P
- Pfeil
- P1
- Pfeil
- W1
- Winkel
- W2
- Winkel
- W3
- Winkel
