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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen einer relativen Verdrehung eines Primärbauteils einer Wellenkupplung zum Sekundärbauteil einer Wellenkupplung gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Wellenkupplungen sind aus dem Stand der Technik in vielfachen Ausführungsformen bekannt. Sie werden beispielsweise in Maschinen und Anlagen oder Luft-, Land- und Wasserfahrzeugen eingesetzt. Als Überlasteinheit, beispielsweise in Windkraftanlagen, beinhalten sie beispielsweise eine Rutschkupplung, welche bei Überschreiten eines bestimmten Grenzdrehmomentes Lastspitzen abfängt. Andere Wellenkupplungen beinhalten scheibenförmige Elastikelemente, um Vibrationen im Antriebsstrang und Drehmomentspitzen zu dämpfen. Letztlich sind auch Wellenkupplungen bekannt, die ein Drehmoment von der Primärseite zu der Sekundärseite der Kupplung starr übertragen, jedoch zum Schutz der verbundenen Aggregate Sollbruchelemente aufweisen, wie beispielsweise Scherstifte. Beim Überschreiten bestimmter Drehmomente wird der Kraftfluss lastabwerfend durch Zerstörung des Sollbruchelementes unterbrochen.
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Aus vielerlei Gründen weichen beinahe zu allen Kupplungsbauformen die berechneten übertragbaren Drehmomente von den tatsächlich übertragbaren Drehmomenten ab. Bei Rutschkupplungen ist das tatsächliche Grenzdrehmoment von dem Reibschluss zwischen den Reibbelägen abhängig. Dieser wird durch eine Veränderung der tribologischen Verhältnisse, Abnutzung oder Korrosion, möglicherweise auch durch Verschmutzung, beeinflusst. Bei Wellenkupplungen mit Elastik-Elementen gibt es diverse Faktoren beim Vulkanisieren sowie in der Zusammensetzung der Gummimischungen, die die tatsächliche Elastizität von der errechneten Elastizität abweichen lassen. Bei Kupplungen mit lastabwerfenden Sollbruchelementen spielen ebenfalls die tatsächlichen Materialeigenschaften und -werte für die Funktion eine erhebliche Rolle.
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Im Stand der Technik werden, sofern erforderlich, eine Reihe von aufwändigen Maßnahmen unternommen, um die korrekte Kupplungsfunktion zu gewährleisten.
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Bei Rutschkupplungen wird das Grenzdrehmoment in der Regel auf einem Prüfstand nach Einschleifen der Reibbelege eingestellt. Erst im Anschluss daran kann die Kupplung in eine entsprechende Anlage, insbesondere eine Windkraftanlage, eingesetzt werden. Eine Funktionsprüfung in der Anlage selber ist nach Einbau jedoch nicht vorgesehen. Hierzu müsste die Kupplung wieder auf einen Prüfstand, was wegen des hohen Aufwandes in der Regel nicht erfolgt.
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Gleichwohl besteht der Bedarf, die korrekte Funktion einer Wellenkupplung unter Last in verschiedenen Anwendungsbereichen zu prüfen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine solche Prüfvorrichtung bereitzustellen.
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Gelöst wird die Aufgabe von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere mit einem primärseitigen Koppelglied, welches zur Prüfung am Primärbauteil festgelegt ist, und mit einem sekundären Koppelglied, welches zur Prüfung an dem Sekundärbauteil festgelegt ist und mit einem Wirkmittel, welches auf das Primärbauteil und das Sekundärbauteil wirkt und dessen Wirkkraft das Primärbauteil und das Sekundärbauteil relativ zueinander um die Drehachse der Wellekupplung bewegt und mit einem Kraftmesser, welcher die Umfangskraft des Wirkmittels erfasst und mit einem Entkoppelglied, welches die radial wirkende Kraftkomponente der Wirkkraft des Wirkmittels gegenüber dem Kraftmesser abfängt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dazu geeignet, eine Wellenkupplung im eingebauten Zustand auf das Erfüllen der jeweiligen Funktionsparameter zu prüfen. Ein Ausbau der Wellenkupplung mit Überprüfung auf einem Prüfstand ist nicht länger erforderlich. Das besonders hervorstechende Merkmal der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das Entkoppelglied, welches die radial wirkende Kraftkomponente der Wirkkraft gegenüber dem Kraftmesser abfängt, so dass ausschließlich die aufgebrachte Umfangskraft erfasst wird, wodurch sich das von der Prüfvorrichtung aufgebrachte Drehmoment leicht ableiten lässt.
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Beispielsweise kann die Vorrichtung an die Primär- und Sekundärseite einer Rutschkupplung angeflanscht werden. Mittels des Wirkgliedes werden die Primär- und die Sekundärseite der Rutschkupplung gegeneinander verdreht. Über den die Umfangskraft erfassenden Kraftmesser ist das Drehmoment ableitbar, bei welchem die Rutschkupplung anspricht und durchrutscht. Dieses Ergebnis kann nunmehr genutzt werden, um das Grenzdrehmoment zwischen Primär- und Sekundärseite der Rutschkupplung neu einzustellen. Genauso ist es möglich, ein Elastik-Element dahingehend zu überprüfen, ob ein bestimmter Verdrehwinkel erreichbar ist. Das Bruchmoment einer Kupplung kann ebenfalls mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung geprüft werden. Auch ein Losbrechmoment ist prüfbar.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das primärseitige Koppelglied als Hebelarm und dass sekundärseitige Koppelglied als Stützarm ausgebildet ist und dass das Wirkmittel mit an Hebelarm und Stützarm angeordnet ist.
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Besonders bevorzug ist es, wenn der Hebelarm ein Koppelauge ausbildet, in welchem das Wirkmittel einenends mit Spiel einsitzt.
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Um eine möglichst direkte Messung vorzunehmen, ist daran gedacht, dass der Kraftmesser im Bereich des Koppelauges angeordnet ist und die Umfangskraft des Wirkmittels aufnimmt.
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Das Entkoppelglied lässt sich vom Aufbau her einfach halten, wenn das Entkoppelglied einerseits am Hebelarm und andererseits am im Koppelauge einsitzenden Ende des Wirkmittels angreift.
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Um die gewonnenen Daten zu Umfangskraft bzw. Drehmoment weiter auswerten zu können, ist vorgesehen, dass ein Winkelsensor vorgesehen ist, der den Verdrehwinkel unter der Wirkkraft des Spreizelementes zwischen dem primärseitigen Koppelglied und dem sekundärseitigen Koppelglied erfasst.
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Von Vorteil ist, wenn das Wirkmittel ein Druckzylinder ist.
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Als Anwendungsgebiet ist denkbar, dass die Wellenkupplung eine Rutschkupplung beinhaltet und die Vorrichtung am Primärbauteil einerseits und am Sekundärbauteil andererseits angeordnet ist, um das Rutschmoment der Rutschkupplung zu erfassen, oder dass die Vorrichtung am Primärbauteil einerseits und am Sekundärbauteil andererseits angeordnet ist, um das Bruchmoment der Kupplung zu erfassen, oder dass die Vorrichtung am Primärbauteil einerseits und am Sekundärbauteil andererseits angeordnet ist, um den Verdrehwinkel einer elastischen Kupplung zu erfassen.
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Besondere Vorteile der Erfindung, weitere Merkmale sowie ein besseres Verständnis folgen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Es zeigen:
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1: eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung, die an einer Rutschkupplung angeordnet ist, in kupplungsaxialer Ansicht,
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2: eine Schnittansicht gemäß Schnittlinie A-A in 1
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In den Figuren ist eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung insgesamt mit der Bezugsziffer 100 versehen und an einer insgesamt mit der Bezugsziffer 200 bezeichneten Wellenkupplung angeordnet.
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Die Prüfvorrichtung 100 umfasst ein primärseitiges Koppelglied 101, welches nachfolgend auch als Hebelarm 101 bezeichnet ist. Der Hebelarm 101 bildet ein radial zur Wellenkupplung 200 beabstandetes Koppelauge 102 aus, an welchem ein Kraftmesser 103 angeordnet ist. Eine in 1 nicht dargestellte Bohrung ist nahe dem Außenumfang der Wellenkupplung 200 angeordnet und dient der Aufnahme eines Befestigungsbolzens 105, welcher zwei Entkopplungshebel 106 am Hebelarm 101 festlegt.
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Ein sekundärseitiges Koppelglied 107 ist im Folgenden auch als Stützarm 107 bezeichnet.
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Der Stützarm 107 bildet an seinem der Wellenkupplung 200 abgewandten Ende eine Aufnahme aus zwei Aufnahmewangen 108 aus, zwischen denen ein Hydraulikzylinder 109 angeordnet und an welchen der Hydraulikzylinder 109 befestigt ist. Der Hydraulikzylinder 109 ist in den Ansprüchen auch als Wirkmittel 109 bezeichnet.
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Der Hydraulikzylinder 109 verfügt über eine Kolbenstange 111, dessen am freien Ende angeordnete Koppelgabel 112 den Hebelarm 101 im Bereich des Koppelauges 102 umgreift und mittels eines weiteren Befestigungsbolzens 105 im Koppelauge 102 gehalten ist. Im Durchtrittsbereich des Koppelauges ist der Befestigungsbolzen 105 von einem Wälzlager 113 umgeben, welches mit Spiel im Koppelauge 102 einsitzt.
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Am Stützarm 107 ist ein Winkelsensor 110 befestigt, der – bei einer Relativbewegung von Stützarm 107 zum Hebelarm 101 – den Umfangswinkel dieser Relativbewegung erfasst.
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In der 1 seht man zunächst den primärseitigen Befestigungsflansch 201 (auch Primärbauteil 201), an welchem mittel- oder unmittelbar ein Antrieb, wie beispielsweise die Welle eines Windrades angeflanscht ist. Die eingeleitete Antriebsenergie wird über einige später noch darzustellende Bauteile auf das Sekundärbauteil 202 der Wellenkupplung 200, hier auf eine Generatorwelle 202, übertragen.
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2 zeigt einen Axialschnitt gemäß der Schnittlinie A-A in 1 durch die Prüfvorrichtung 100 und die Wellenkupplung 200.
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Auf der Generatorwelle 202 ist die Wellenkupplung 200 mittels eines Spannsatzes festgelegt. Dieser umfasst zunächst eine Spannmuffe 203, die mit einem zylindrischen Abschnitt 204 auf der Welle 202 aufsitzt und diese umschließt. Der zylindrische Abschnitt 204 weist außenumfänglich einen Konus auf. Ein Spannring 205, der einen innenumfänglichen Gegenkonus aufweist, ist auf den zylindrischen Abschnitt 204 aufgesetzt und wird mittels nicht näher bezeichneter Schraubbolzen gegen die Spannmuffe 203 verspannt, so dass diese reibschlüssig auf der Generatorwelle aufsitzt.
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Die Spannmuffe 203 bildet in ihrem radial äußeren Bereich einen Stufenabschnitt 206 aus, der von einem Gegenstufenabschnitt 207 des Befestigungsflansches 201 hintergriffen ist. Die dem Gegenstufenabschnitt 207 zugewandte Innenfläche des Stufenabschnittes 206 der Spannmuffe 203 ist mit einem ersten Reibbelag 208 versehen. Ein Reibring 209, der mit einem zweiten Reibbelag 210 versehen ist, wird über nicht näher bezeichnete Schraubbolzen mittels einer Spannscheibe 211 und einer zwischengelegten Tellerfeder 212 mit einer Spannkraft beaufschlagt.
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Der Gegenstufenabschnitt 207 des Befestigungsflansches 201 ist so zwischen dem Reibring und dem Stufenabschnitt 206 der Spannmuffe 203 gehalten. Der Kraftschluss zwischen dem Befestigungsflansch 201 und der Spannmuffe 203 wird über einen Reibschluss hergestellt. Das übertragbare Drehmoment, welchem der Reibschluss standhalten soll, lässt sich über Spannscheibe 211 mit zwischengeschalteter Tellerfeder 212 einstellen. Insoweit bildet die hier dargestellte Wellenkupplung 201 eine Überlastsicherung durch eine Rutschkupplung.
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Ein solcher Kupplungsaufbau ist beispielsweise in Windkraftanlagen verbreitet, in welchen – unter Zwischenschaltung einer Bremse und eines Getriebes – ein Rotor ein Drehmoment auf die Welle 202 eines Generators überträgt. Verschiedene Einflüsse, beispielsweise Rückkopplungen aus dem Stromnetz, können zu einer kurzfristigen Drehmomenterhöhung führen, die dazu im Stande ist, das vorgeschaltete Getriebe zu schädigen. Um diese Drehmomentspitzen abzufangen, ist die vorbeschriebene Überlastsicherung in Form einer Rutschkupplung vorgesehen, die die Überlast lasthaltend begrenzt.
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Ein möglichst exakt eingestelltes Grenzdrehmoment erhöht die Effizienz der Anlage erheblich. Abweichungen im Grenzdrehmoment nach unten führen zu Leistungseinbußen, Abweichungen im Grenzdrehmoment nach oben sind prinzipiell geeignet, das vorgeschaltete Getriebe zu schädigen.
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Im Betrieb einer wie vorbeschrieben dargestellten Kupplung kann es im Bereich der Überlasteinheit zu Veränderungen des auf einem Prüfstand eingestellten Grenzdrehmoments kommen. Hierzu können vielerlei Einflüsse beitragen, unter anderem Korrosion, Veränderungen der tribologischen Verhältnisse, Verschleiß der Reibbeläge etc.
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Zur Prüfung des Grenzdrehmoments kann in regelmäßigen zeitlichen Abständen die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung 100 an die Wellenkupplung 200 angesetzt werden. Durch Beaufschlagung des Hydraulikzylinders mit einer kontinuierlich steigenden Kraft werden Stützarm 107 und Hebelarm 101 relativ zueinander verdreht. Über das sich an der Messeinrichtung 103 abstützende Wälzlager 113, welches mit der Kolbenstange 111 gekoppelt ist, wird die aufgegebene Wirkkraft des Hydraulikzylinders 109 erfasst.
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Soweit zwischen Hebelarm 101 und Kolbenstange 111 kein rechter Winkel gegeben ist, fangen die Entkopplungshebel die radial wirkenden Kraftkomponenten der Wirkkraft des Hydraulikzylinders 109 gegenüber dem Kraftmesser 103 ab, so dass ausschließlich die aufgegebene Umfangskraftkomponente der Wirkkraft durch den Kraftmesser 103 erfasst wird. Aus diesem Wert lässt sich das Drehmoment ableiten, so dass mit dem Durchrutschen der Rutschkupplung das tatsächliche Grenzdrehmoment feststellbar ist. Ein einfacher Vergleich zwischen Ist- und Sollwert ergibt dann die Notwendigkeit und den Umfang der Nachjustierung.
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Genauso gut ist es denkbar, die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung dauerhaft in der Anlage zu belassen und mit einer Steuerung zu versehen. Die vorgesehenen Prüfungen können dann automatisch oder per Datenfernübertragung ausgelöst werden. Das Ergebnis wird erfasst und zur Auswertung an eine Zentralstelle übermittelt. Diese kann dann, sofern erforderlich, einen entsprechenden Service veranlassen.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine einfach aufgebaute und wirksame Prüfvorrichtung zur Prüfung von Wellenkupplungen 200. Der Prüfvorgang wurde am Bespiel einer mit Überlasteinheit versehenen Wellenkupplung 200 dargestellt. Eine wesentliche Besonderheit der Erfindung ist im Entkopplungshebel 106 zu finden, der sicherstellt, dass ausschließlich die vom Wirkmittel/Hydraulikzylinder 109 auf die Kupplung 200 aufgegebene Umfangskraftkomponente der Wirkkraft erfasst wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Prüfvorrichtung
- 101
- primärseitiges Koppelglied/Hebelarm
- 102
- Koppelauge
- 103
- Kraftmesser
- 104
- Bohrung
- 105
- Befestigungsbolzen
- 106
- Entkopplungshebel
- 107
- sekundärseitiges Koppelglied/Stützarm
- 108
- Aufnahmewange
- 109
- Hydraulikzylinder
- 110
- Winkelsensor
- 111
- Kolbenstange
- 112
- Koppelgabel
- 113
- Wälzlager
- 200
- Wellenkupplung
- 201
- Primärbauteil/Befestigungsflansch
- 202
- Generatorwelle
- 203
- Sekundärbauteil/Spannmuffe
- 204
- zylindrischer Abschnitt
- 205
- Spannring
- 206
- Stufenabschnitt
- 207
- Gegenstufenabschnitt
- 208
- erster Reibbelag
- 209
- Reibring
- 210
- zweiter Reibbelag
- 211
- Spannscheibe
- 212
- Tellerfeder
