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Die Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung zur Verbindung zweier gegenüberliegender Wellen mit einer ersten Welle mit einem ersten Wellenende, einer zweiten Welle mit einem zweiten Wellenende, wobei das erste Wellenende gegenüberliegend zum zweiten Wellenende angeordnet ist und mit einem Koppelelement, welches zwischen den beiden Wellenenden angeordnet ist und mit den beiden Wellenenden fest verbunden ist sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kupplungsvorrichtung.
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Derartige Kupplungsvorrichtungen dienen dazu, zwischen zwei gegenüberliegenden Wellen ein Drehmoment von der einen Welle auf die andere übertragen zu können. Typische Anwendungen sind beispielsweise die Verbindung der Ausgangswelle eines Aktors mit der anzutreibenden Welle einer Regelklappe oder die Verbindung von zwei angetriebenen Wellen, auf denen jeweils ein Regelkörper angeordnet ist und welche synchron verstellt werden sollen. Häufig muss dabei sichergestellt werden, dass beide Klappen in ihren Endstellungen dichtend am Ventilsitz anliegen. Da insbesondere bei hohen beziehungsweise bei wechselnden Temperaturen eine Verschiebung der Anschläge zueinander möglich ist, sollte ein zwischen den Wellen angeordnetes Koppelelement in der Lage sein, eine Relativdrehung der beiden Wellen zueinander um 1 bis 3° zuzulassen. Entsprechend könnte eine erste Klappe auf der ersten Welle gegen den Anschlag gedreht werden und die zweite Welle ein Stück weiter gedreht werden bis die zweite Klappe gegen ihren Anschlag anliegt. Hierzu dürfen einerseits die Stellkräfte zum Aufbringen des notwendigen Drehmomentes nicht zu groß werden und andererseits eine ausreichende Steifigkeit und Festigkeit der Kupplung sichergestellt werden, so dass einerseits eine hohe Haltbarkeit besteht und andererseits kein unerwünschtes Verdrehen der beiden Wellen zueinander beispielswiese aufgrund von Pulsationen im Kanal erfolgt.
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So wird in der
EP 1 505 281 A2 eine Kupplungsvorrichtung beschrieben, welche die Wellen zweier Klappen miteinander verbindet. Dabei sind die gegenüberliegenden Wellenenden rechteckig ausgebildet. Auf diese Wellenenden wird ein Koppelelement aus Kunststoff aufgeschoben, dessen Endabschnitte eine korrespondierende rechteckige Form aufweisen. Die beiden Endabschnitte des Koppelelementes sind über einen einzelnen geringfügig verdrehten Steg miteinander verbunden, so dass ein Winkelversatz von etwa 1° zwischen den beiden Endabschnitten und somit zwischen den beiden Wellenenden realisiert wird. Hierdurch soll ein Anschlagen beider Klappen in ihren Endstellungen sichergestellt werden.
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Ein derartig ausgeführtes Koppelelement eignet sich jedoch nicht für Hochtemperaturanwendungen, wie beispielsweise im Abgasbereich einer Verbrennungskraftmaschine zur Verwirklichung von Drehwinkeldifferenzen zwischen den beiden Wellen von 3°, da neben dem thermisch nicht belastbaren Material auch keine ausreichende Verdrehung erzeugt werden kann, ohne dass ein Materialbruch zu befürchten ist.
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Des Weiteren sind Membrankupplungen bekannt, bei denen Kupplungsringe zwischen elastische Kupplungsscheiben befestigt werden, wie dies beispielsweise in der
DE 10 2005 014 985 A1 beschrieben wird. Diese Kupplungen weisen gerade Stege und Schlitze auf, wobei die Stege dick ausgeführt sind. Diese Membrankupplungen dienen zum Ausgleich eines Wellenversatzes.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Kupplungsvorrichtung zur Verbindung zweier gegenüberliegender Wellen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Kupplungsvorrichtung zu schaffen, welche auch bei hohen Temperaturen von bis zu 700°C einsetzbar ist und mit der Drehwinkeldifferenzen zwischen den beiden Wellen von 3° angefahren werden können, wobei eine ausreichende Torsionssteifigkeit des Koppelelementes bei möglichst kleinem Spannungsmaximum erreicht werden soll, wodurch die Lebensdauer im Vergleich zu bekannten Ausführungen deutlich verlängert werden soll.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kupplungsvorrichtung zur Verbindung zweier gegenüberliegender Wellen mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Dadurch, dass das Koppelelement hohlzylindrisch ausgebildet ist und einen ersten axialen Abschnitt aufweist, der ringförmig geschlossen ausgebildet ist, einen zweiten axialen Abschnitt aufweist, in dem das Koppelelement in wechselnder Folge Öffnungen und Stege aufweist und einen dritten axialen Abschnitt aufweist, der ringförmig geschlossen ausgebildet ist, wobei die Öffnungen und Stege zur Mittelachse schräg ausgebildet sind, kann das Koppelelement einerseits stoffschlüssig an den Wellenenden befestigt werden und andererseits kann eine Torsionssteifigkeit erzeugt werden, die einerseits ein Verdrehen der beiden Wellen zueinander um mindestens 3° ermöglicht und andererseits eine ausreichende Festigkeit sicherstellt, die ein ungewolltes Verdrehen der beiden Wellen zueinander verhindert. Die schräge Ausbildung der Stege verringert die Torsionssteifigkeit in einer Drehrichtung und führt dazu, dass ein weiteres Verdrehen der zweiten Weile in Richtung der Schrägstellung mit geringerer Kraft möglich ist. Entsprechend eignet sich eine derartige Ausführung besonders, wenn bekannt ist, in welcher Richtung der Versatz der Anschläge zwischen den beiden Wellen existiert.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Kupplungsvorrichtung zur Verbindung zweier gegenüberliegender Wellen wird das Koppelelement aus einem Bandmaterial hergestellt, welches zunächst auf eine gewünschte Länge gekürzt wird, anschließend werden die Öffnungen ausgestanzt und daraufhin wird das Bandmaterial zylinderförmig gerollt und die gegenüberliegenden Enden des Bandmaterials werden miteinander verschweißt. Abschließend werden die axialen Enden des Koppelelementes mit den gegenüberliegenden Wellenenden verschweißt. So ergibt sich eine kostengünstige Herstellung der torsionssteifen Wellenverbindung, welche thermisch belastbar ist und eine Verdrehung der beiden Wellen relativ zueinander um etwa 3° ermöglicht.
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Vorzugsweise ist der erste Abschnitt des Koppelelementes mit der ersten Welle durch Schweißen verbunden und der dritte Abschnitt ist durch Schweißen mit der zweiten Welle verbunden. Eine solche stoffschlüssige Schweißverbindung weist eine ausreichende Festigkeit auf, so dass ein Lösen der Verbindung bei Torsion der beiden Wellen zueinander verhindert wird.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung sind die Öffnungen im zweiten Abschnitt gleichmäßig über den Umfang verteilt angeordnet. So entsteht eine über den Umfang gleichmäßig verteilte Spannungsverteilung bei der Torsion, durch die die Haltbarkeit erhöht wird und Brüche vermieden werden.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Breite der Stege im Wesentlichen der Breite der Öffnungen entspricht, da bei dieser Ausbildung ein gutes Mittelmaß zwischen der Festigkeit bei Torsion und der aufzuwendenden Kraft zur Torsion, die entsprechende innere Spannungen im Koppelelement erzeugt, gegeben ist.
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Vorzugsweise sind die Öffnungen und Stege sowohl bei der schrägen Anordnung als auch bei der geraden Anordnung der Stege parallel zueinander ausgebildet. Hierdurch wird eine über den Umfang ungleichmäßige Verteilung der inneren Spannungen im Koppelelement verhindert.
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In einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform sind die Stege abwechselnd um einen entgegengesetzten Winkel gekippt zur axialen Richtung ausgebildet. Hierdurch wird die Torsionssteifigkeit erhöht, wodurch ein ungewolltes relatives Verdrehen der beiden Wellen zueinander verhindert wird. Gleichzeitig wachsen die internen Spannungen, so dass sich eine solche Ausführungsform vor allem für kleine Drehwinkeldifferenzen eignet.
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Eine weitere Vergrößerung der Torsionssteifigkeit und resultierend auch des Reaktionsmomentes kann erreicht werden, wenn die Stege im zweiten Abschnitt X-förmig zueinander angeordnet sind.
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Eine noch größere Steifigkeit wird erreicht, wenn die Stege derart angeordnet sind, dass die Stege und Öffnungen eine Karostruktur bilden, wobei das entstehende Spannungsmaximum jedoch geringfügig gesenkt werden kann. Entsprechend steigt die Haltbarkeit. Eine unerwünschte Verdrehung der beiden Wellen relativ zueinander ist ausgeschlossen.
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Vorzugsweise ist das Koppelelement aus gerolltem Bandmaterial hergestellt. Dieses ist einfach und kostengünstig herstellbar und kann aus dem gleichen oder einem ähnlichen Material wie die Wellen hergestellt werden, so dass auch die Verbindung erleichtert wird, wodurch Kosten reduziert werden.
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Es wird somit eine Kupplungsvorrichtung zur Verbindung zweier gegenüberliegender Wellen sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Kupplungsvorrichtung geschaffen, mit welcher eine Verdrehung einer ersten Welle nach Anfahren eines Anschlags der zweiten Welle um einen Drehwinkel von etwa 3° möglich wird, ohne dass ein unerwünschtes relatives Verdrehen der Wellen zueinander zu befürchten ist, da das Koppelelement eine ausreichende Steifigkeit und Festigkeit aufweist. Zusätzlich kann die Steifigkeit so eingestellt werden, dass kein zu hohes Drehmoment zum Verdrehen der beiden Wellen zueinander aufgebracht werden muss, so dass keine zu großen Steller verwendet werden müssen. Des Weiteren wird eine ausreichende Haltbarkeit der Kupplungsvorrichtung durch Reduzierung des vorhandenen Spannungsmaximums im Koppelelement erzielt. Das Koppelelement weist ein ausreichendes Reaktionsmoment auf, so dass beim Zurückdrehen die relative Position der Wellen zueinander wieder eingenommen wird. Eine kostengünstige Herstellung wird ermöglicht.
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Fünf Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Kupplungsvorrichtung zur Verbindung zweier gegenüberliegender Wellen sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kupplungsvorrichtung.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Kupplungsvorrichtung.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer dritten, erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Kupplungsvorrichtung.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer vierten, erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Kupplungsvorrichtung.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer fünften, erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Kupplungsvorrichtung.
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Alle dargestellten Kupplungsvorrichtungen bestehen aus einer ersten Welle 10 deren erstes Wellenende 12 gegenüberliegend zu einem zweiten Wellenende 14 einer zweiten Welle 16 angeordnet ist. Auf beiden Wellen 10, 16 könnten beispielsweise Klappen 11, 17 angeordnet sein, welche über einen gemeinsamen Steller gegen jeweils einen eigenen Anschlag gedreht werden. Üblicherweise sind die Anschläge so zu den Wellen 10, 16 beziehungsweise den Klappen 11, 17 ausgerichtet, dass beide Klappen 11, 17 gleichzeitig anschlagen. Durch Fertigungstoleranzen oder durch Dehnungen beispielsweise aufgrund unterschiedlicher thermischer Belastungen der beiden Klappen 11, 17 beziehungsweise der Kanäle, in denen sie angeordnet sind, kann es passieren, dass die Anschläge sich geringfügig relativ zueinander verschieben. In diesem Fall schlägt die eine Klappe 11 vor der anderen Klappe 17 am Anschlag an, so dass keine Dichtigkeit der zweiten Klappe 17 erzielt werden kann. In diesem Fall wäre es wünschenswert, die zweite Welle 16 geringfügig weiter drehen zu können, üblicherweise um etwa 1 bis 3°.
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Daher ist zwischen den beiden gegenüberliegenden Wellenenden 12, 14 ein Koppelelement 18 angeordnet. Dieses Koppelelement 18 ist beispielsweise aus gerolltem Bandmaterial hergestellt, insbesondere aus dem gleichen Material wie die Wellen 10, 16. Dieses wird anschließend beispielsweise zur Erzeugung gewünschter Strukturen einem Stanzprozess unterzogen. Daraufhin wird das Bandmaterial zusammengerollt und die Enden miteinander verschweißt, so dass eine hohlzylindrische Form des Koppelelementes 18 entsteht.
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Das Koppelelement 18 wird durch Schweißverbindungen 20 mit den beiden Wellenenden 12, 14 der Wellen 10, 16 verbunden. Um diese Schweißverbindungen 20 herstellen zu können, weist das fertig hergestellte Koppelelement 18 drei axial hintereinander liegende Abschnitte 22, 24, 26 auf. Der erste Abschnitt 22 sowie der dritte Abschnitt 26 sind an den axialen Enden des Koppelelementes 18 ausgebildet und sind ringförmig geschlossen, so dass sich auch die Schweißverbindungen 20 über den gesamten Umfang erstrecken.
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Die in den Figuren dargestellten Koppelelemente 18 unterscheiden sich durch die Ausbildung des mittleren axialen Abschnitts 24. Bei der Ausführung gemäß der 1 wechseln sich über den Umfang des zweiten Abschnitts 24 Öffnungen 28 und Stege 30 ab, die sich vom Ende des ersten Abschnitts 22 bis zum Anfang des dritten Abschnitts 26 axial erstrecken. Dabei entspricht die Breite der Öffnungen 28 etwa der Breite der Stege 30. Die Enden der Öffnungen 28 sind jeweils mit einem Radius versehen, wodurch die Festigkeit erhöht wird. Dieses Koppelelement 18 ist in beide Richtungen gleichermaßen tordierbar, so dass die erste Welle 10 relativ zur zweiten Welle 16 um bis zu 3° in beide Richtungen weitergedreht werden kann, wenn eine der Klappen 11, 17 ihren Anschlag erreicht, ohne dass ein Bruch der Kupplungsvorrichtung zu befürchten ist. Auch muss hierzu kein großes Drehmoment durch den Steller aufgebracht werden. Dennoch ist die Steifigkeit dieses Koppelelementes 18 so hoch, dass keine unerwünschte relative Verdrehung der beiden Wellen 10, 16 zueinander zu befürchten ist.
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Eine erste erfindungsgemäße Ausführung ist in der 2 dargestellt. Der mittlere Abschnitt 24 weist dabei erneut über den Umfang gleichmäßig verteilt Öffnungen 32 und Stege 34 auf. Die Öffnungen 32 und Stege 34 sind parallel zueinander, jedoch schräg angeordnet, weisen also zur Mittelachse einen Winkel von etwa 30° auf. Eine solche Ausführung eignet sich somit insbesondere, wenn es bekannt ist, welche Klappe zum Anschlag weitergedreht werden soll als die andere.
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Eine weitere Ausführungsform ist in der 3 dargestellt. Im zweiten Abschnitt 24 verlaufen die Stege 36 zickzackförmig vom ersten Abschnitt 22 zum dritten Abschnitt 26, so dass die Stege 36 zur Mittelachse abwechselnd zunächst um etwa 30° zu der einen Seite und darauf folgend zu der anderen Seite gekippt sind. Entsprechend sind die Öffnungen 38 dreieckförmig ausgebildet. Eine solche Ausführung weist eine erhöhte Torsionssteifigkeit auf.
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Beim Ausführungsbeispiel gemäß 4 sind die Stege 40 X-förmig zueinander angeordnet, wobei die Stege 40 sich jeweils im Bereich des ersten Abschnitts 22 und des dritten Abschnitts 26 treffen. Für die Öffnungen 42 ergibt sich ein Karomuster mit sich in Umfangsrichtung abwechselnden Karos und axial gegenüberliegenden Dreiecken. Durch diese Ausführung kann die Steifigkeit noch einmal erhöht werden.
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Eine zusätzliche Erhöhung der Steifigkeit ergibt sich bei der Ausführung gemäß der 5, in der wiederum Stege 44 ausgebildet sind, die abwechselnd in beide Richtungen im Vergleich zur Mittelachse schräg verlaufen und sich dabei mehrfach überschneiden, so dass sich eine Gitterstruktur mit mehreren übereinander liegenden Karos für die entstehenden Öffnungen 46 ergibt.
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Diese Versionen einer erfindungsgemäßen Kupplungsvorrichtung können mit verschiedenen Durchmessern, Längen und Blechstärken hergestellt werden. Je nach Anwendung können über die unterschiedlichen Strukturen die gewünschten Reaktionsmomente, Torsionssteifigkeiten und maximalen Spannungsmaxima eingestellt werden, so dass einerseits eine ausreichende Festigkeit gegeben ist, um ein unerwünschtes relatives Verdrehen zu vermeiden und andererseits mit relativ geringem zusätzlich aufzubringendem Drehmoment die gewünschte Relativverdrehung zu erzeugen ist. Auch wird durch diese Ausführungen sichergestellt, dass keine bleibende Verformung des Koppelelementes auftritt, sondern dieses nach Verlassen des Anschlags wieder seine ursprüngliche Form einnimmt, so dass keine relative Verdrehung der Wellen zueinander mehr vorhanden ist. Eine derartige Kupplungsvorrichtung ist einfach und kostengünstig herstellbar und ermöglicht auch bei unterschiedlich thermisch belasteten Klappen einen vollständigen dichten Verschluss beider Klappen in allen Betriebszuständen.
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Es sollte deutlich sein, dass weitere Modifikationen möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. Insbesondere können durch eine Änderung der Winkel der Stege zueinander sowie deren Dicke im Vergleich zu den Öffnungen verschiedene Torsionssteifigkeiten und Spannungen eingestellt werden.
