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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplungsanordnung, insbesondere Rohrkupplung, mit einem als Steckzapfen ausgebildeten Rohrkupplungsteil und einem als Steckmuffe ausgebildeten Rohrkupplungsteil, die ineinander gesteckt werden können, wobei der Steckzapfen an seiner Außenfläche und die Steckmuffe an ihrer Innenfläche jeweils zwei axial beabstandete Umfangsnuten aufweisen, die zusammen zwei axial beabstandete Einschubnuten definieren, in welche jeweils wenigstens ein Scherelement kreisrunden Querschnitts einsetzbar oder eingesetzt ist, um die beiden Kupplungsteile axialfest miteinander zu verbinden, wobei die Kupplungsanordnung in dem Verbindungsbereich zwischen Steckzapfen und Steckmuffe einem im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser besitzt, und wobei der Steckzapfen an seinem in die Steckmuffe eingreifenden axialen Ende und die Steckmuffe an ihrem den Steckzapfen umgreifenden axialen Ende, insbesondere an der Stirnfläche, axiale Nuten und/oder Vorsprünge aufweisen, denen korrespondierende Vorsprünge und/oder Nuten in einem radialen Absatz des jeweils anderen Bauteils zugeordnet sind, wobei einander zugeordnete Paare von Vorsprüngen und Nuten im zusammengesteckten Zustand der Rohrkupplungsteile miteinander axial in Eingriff stehen, so dass einer Verformung der Rohrkupplungsteile in radialer Richtung entgegengewirkt wird. Insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Kupplung, bei welcher der Steckzapfen an seiner Außenfläche und die Steckmuffe an ihrer Innenfläche jeweils zwei axial beabstandete Umfangsnuten aufweisen, die zusammen zwei axial beabstandete Einschubnuten definieren, in welche jeweils wenigstens ein Scherelement kreisrunden Querschnitts einsetzbar oder eingesetzt ist, um die beiden Kupplungsteil axialfest miteinander zu verbinden.
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Eine Rohrkupplung dieser Art ist aus der
DE 10 2005 001 993 B4 bekannt. Diese Kupplung umfasst zwei Kupplungselemente, die als Steckzapfen und Steckmuffe ausgebildet sind, so dass die Kupplungselemente zusammengesteckt werden können. An der äußeren Umfangsfläche des Steckzapfens und an der inneren Umfangsfläche der Steckmuffe sind jeweils zwei parallele Umfangsnuten vorgesehen, die sich über den gesamten Umfang der Kupplung erstrecken und zusammen zwei ringförmige Einschubnuten definieren. In diese Einschubnuten ist durch eine Einsetzöffnung jeweils eine Kette mit einer Vielzahl von zylinderförmigen Scherkörpern, die auf eine flexible Seele kettenartig aufgefädelt sind, eingeschoben, wodurch eine axialfeste Verbindung zwischen den Rohrkupplungsteilen hergestellt wird. Die in dem Steckzapfen und der Steckmuffe vorgesehenen Umfangsnuten besitzen dabei einen Querschnitt mit einem kreisbogenförmigen Aufnahmebereich, an welchem die Scherkörper bei Zugbeanspruchung der Kupplung flächig in Anlage kommen, und einer sich daran anschließenden Schrägflanke.
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Die bekannte Kupplung hat sich in der Praxis durchaus bewährt. Die Bestrebungen gehen jedoch dahin, die Kupplung kompakter und preiswerter zu gestalten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kupplung der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass sie kompakt baut und einfach sowie günstig in der Herstellung ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einer Kupplungsanordnung, bei welcher der Steckzapfen an seiner Außenseite und die Steckmuffe an ihrer Innenseite zwei axial beabstandete Umfangsnuten aufweisen, die zusammen zwei axial beabstandete Einschubnuten definieren, wie dies an sich bereits bekannt ist, dadurch gelöst, dass die Einschubnuten einen unterschiedlichen radialen Abstand von einer Kupplungsachse besitzen, wobei die näher zu dem in die Steckmuffe eingreifenden axialen Ende des Steckzapfens liegende vordere Einschubnut einen geringeren Abstand von der Kupplungsachse besitzt als die weiter von dem axialen Ende entfernt liegende hintere Einschubnut.
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Der Erfindung liegt damit die Überlegung zugrunde, dass die bei einer Zugbelastung der Rohrkupplung wirksamen axialen Zugkräfte durch die Scherelemente in den beiden parallelen Umfangsnuten jeweils nur teilweise in die Bauteile eingeleitet werden. Dies hat zur Folge, dass in dem in die Steckmuffe eingreifenden vorderen Endbereich des Steckzapfens - d.h. zwischen der vorderen Stirnfläche und der vorderen Einschubnut - keine axialen Zugkräfte wirksam sind, zwischen den beiden Einschubnuten nur ein Teil der axialen Zugkräfte, nämlich derjenige Teil, der über die vordere Einschubnut in den Steckzapfen eingeleitet wird, wirksam sind, und in dem sich an die hintere Einschubnut anschließenden hinteren Endbereich des Steckzapfens die gesamten axialen Zugkräfte wirksam sind. In entsprechender Weise wirken in dem freien Endbereich der Steckmuffe, welcher den Steckzapfen umgreift, zwischen der axialen Stirnfläche der Steckmuffe und der nahe dieser Stirnfläche liegenden hinteren Einschubnut keine axialen Zugkräfte, zwischen den beiden Einschubnuten nur ein Teil der axialen Zugkräfte, nämlich derjenige Teil, der über die hintere Einschubnut in die Steckmuffe eingeleitet wird, und in dem sich an die vordere Umfangsnut anschließenden Bereich der Steckmuffe die gesamten axialen Zugkräfte.
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Diesem Umstand wird erfindungsgemäß dadurch Rechnung getragen, dass die hintere Umfangsnut des Steckzapfens radial relativ weit außen positioniert ist, und die vordere Umfangsnut, in deren Bereich geringere axiale Kräfte in dem Steckzapfen wirksam sind, weiter innen liegt. Geht man von einem konstanten Innendurchmesser der Kupplung aus, liegt dementsprechend die hintere Umfangsnut, über welche ein Großteil der Axialkräfte in den Steckzapfen eingeleitet werden, in einem Bereich großer Wandstärke und die vordere Umfangsnut in einem Bereich geringerer Wandstärke des Steckzapfens. Wenn die Kupplung einen im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser in dem Verbindungsbereich zwischen Steckzapfen und Steckmuffe besitzt, kann entsprechend die Wandstärke der Steckmuffe im Bereich der vorderen Einschubnut, d.h. in dem Bereich, in welchem bei einer Zugbeanspruchung der Kupplung die axialen Zugkräfte vollständig in der Steckmuffe wirksam sind, relativ groß gewählt werden, da die vordere Umfangsnut radial relativ weit innen liegt. Im Bereich der hinteren Einschubnut steht aufgrund der größeren Wandstärke des Steckzapfens wenig Platz zur Verfügung, so dass die Steckmuffe hier eine relativ geringe Wandstärke besitzt. Dies ist aber unschädlich, da im Bereich der hinteren Einschubnut nur ein Teil der axialen Zugkräfte in der Steckmuffe wirksam sind.
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Bevorzugt ist die Kupplungsanordnug dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsnuten des Steckzapfens und der Steckmuffe jeweils im Querschnitt an ihrem einen Endbereich einen kreisbogenförmigen Abschnitt und an ihrem anderen Endbereich einen weiteren bogenförmigen Abschnitt aufweisen, wobei zwischen dem kreisbogenförmigen Abschnitt und dem weiteren bogenförmigen Abschnitt ein geradliniger Abschnitt vorgesehen ist, der eine maximale Länge von 2,5 mm, insbesondere eine Länge von 0,5 bis 2,5 mm und vorzugsweise von 1 bis 2 mm besitzt. Dabei kann sich der kreisbogenförmige Abschnitt, dessen Radius dem Radius der Scherelemente entspricht, bevorzugt über einen Winkelbereich von 90° erstrecken und jeweils an dem Endbereich der Kupplungselemente liegen, an denen die Scherelemente bei einer Zugbeanspruchung der Kupplung in Anlage kommen. Bei dem Steckzapfen handelt es sich hierbei um die Seite, die zu dem freien Ende des Steckzapfens weist, welcher in die Steckmuffe eingreift. Bei der Steckmuffe ist der kreisbogenförmige Abschnitt auf der gegenüberliegenden Seite vorgesehen.
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Ferner kann zwischen dem kreisbogenförmigen Abschnitt und dem weiteren bogenförmigen Abschnitt ein geradliniger Abschnitt sein, der bevorzugt eine maximale Länge von 2,5 mm, insbesondere eine Länge von 0,5 bis 2,5 mm, und vorzugsweise von 1 bis 2 mm aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass ein ausreichendes axiales Spiel für die Scherelemente zur Verfügung steht, wenn der geradlinige Abschnitt eine derartige Länge, insbesondere eine Länge von 1 mm besitzt. Durch das axiale Spiel, welches durch den geradlinigen Abschnitt bzw. die Ausbildung des bogenförmigen Abschnitts mit einem ausreichend großen Krümmungsradius zur Verfügung gestellt wird, wird die Montage deutlich erleichtert, da fertigungsbedingte Toleranzen im Bereich der Umfangsnuten zwischen dem Steckzapfen und der Steckmuffe ausgeglichen werden können.
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Die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen der Umfangsnuten haben gegenüber der Ausgestaltung mit geradlinigen Schrägflanken, wie sie aus der
DE 10 2005 001 993 B4 bekannt ist, den Vorteil, dass sie ein deutlich kleineres freies Volumen haben, in dem sich Verschmutzungen festsetzen können.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der weitere bogenförmige Abschnitt ebenfalls Kreisbogenform besitzt und sich insbesondere über 90° erstreckt, und dass die beiden kreisbogenförmigen Abschnitte den gleichen Radius besitzen. Die Ausgestaltung mit zwei kreisbogenförmigen Abschnitten, welche den gleichen Radius besitzen, ist besonders einfach in der Herstellung, da hier nur ein Radius vorkommt und damit die Bearbeitung mit nur einem Werkzeug möglich ist.
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Alternativ kann der weitere bogenförmige Abschnitt auch so ausgestaltet sein, dass er einen größeren Krümmungsradius als der kreisbogenförmige Abschnitt besitzt.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Übergang zwischen dem weiteren bogenförmigen Abschnitt und der sich an die Umfangsnut anschließenden Innenwandung der Steckmuffe oder Außenwandung des Steckzapfens abgerundet ist. Durch den abgerundeten Übergang kann die Kerbwirkung im Bereich der Umfangsnuten deutlich reduziert werden.
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In an sich bekannter Weise können sich die Einschubnuten ringförmig über den gesamten Umfang der Kupplung erstrecken. Dabei sind in der Steckmuffe die notwendigen Einsetzöffnungen ausgebildet, durch welche die Scherelemente von außen in die Einschubnut(en) eingesetzt werden. Die Einsetzöffnungen können verschließbar sein.
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In ebenfalls bekannter Weise können die Scherelemente kugelförmig oder zylinderförmig ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise sind die Scherelemente kettenartig miteinander verbunden. Insbesondere können sie auf eine flexible Seele aufgefädelt sein.
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Ferner ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Steckzapfen an seinem in die Steckmuffe eingreifen axialen Ende und die Steckmuffe an ihrem den Steckzapfen umgreifenden axialen Ende, insbesondere an der Stirnfläche, axiale Nuten und/oder Vorsprünge aufweisen, denen korrespondierende Vorsprünge und/oder Nuten in einem radialen Absatz des jeweils anderen Bauteils zugeordnet sind, wobei einander zugeordnete Paare von Vorsprüngen und Nuten im zusammengesteckten Zustand der Rohrkupplungsteile miteinander axial in Eingriff stehen, so dass einer Verformung der Rohrkupplungsteile in radialer Richtung entgegengewirkt wird.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung verwiesen. In der Zeichnung zeigt
- 1 im Längsschnitt eine erste Ausführungsform einer Kupplungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 2 die Kupplungsanordnung aus 3 im Querschnitt,
- 3 die Einzelheit X aus 1 in vergrößerter Darstellung,
- 4 eine der 3 entsprechende Darstellung in der eine alternative Ausgestaltung der Umfangsnuten darstellt ist und
- 5 eine weitere zu der 3 korrespondierende Darstellung, in der eine alternative Ausgestaltung der Umfangsnuten gezeigt ist.
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In den 1 und 2 ist eine Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt, die hier als Rohrkupplung ausgebildet ist, um zwei Rohre 1, 2 miteinander zu verbinden. Die Rohrkupplung umfasst zwei Rohrkupplungsteile 3, 4, von denen das eine Rohrkupplungsteil als Steckzapfen 3 und das andere Rohrkupplungsteil als Steckmuffe 4 ausgebildet ist, so dass die Rohrkupplungsteile 3, 4 wie in 1 dargestellt ineinander gesteckt werden können. Wie in der 1 gut erkennbar ist, besitzt die Rohrkupplung einen konstanten Innendurchmesser, der hier dem Durchmesser der anzuschließenden Rohre 1, 2 entspricht, sowie im Verbindungsbereich der Rohrkupplungsteile 3, 4 einen konstanten Außendurchmesser. An ihren voneinander weg weisenden Enden weisen die Rohrkupplungsteile 3, 4 Anschweißenden auf, an denen die Rohre 1, 2 festgeschweißt sind. Ferner weisen die Rohrkupplungsteile 3, 4 an ihren zueinander weisenden axialen Stirnflächen jeweils einen axialen Vorsprung 5, 6 auf, der mit einer korrespondierenden Nut 7, 8 des jeweils anderen Bauteils 4, 3 axial in Eingriff steht, so dass eine Verformung der Rohrkupplungsteile 3, 4 in radialer Richtung verhindert wird.
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An der Außenfläche des Steckzapfens 3 und an der Innenfläche der Steckmuffe 4 sind jeweils zwei parallele Umfangsnuten 9, 10, 11, 12 ausgebildet, die sich ringförmig entlang des gesamten Umfangs der Rohrkupplung erstrecken, wobei die Umfangsnuten 9, 10, 11, 12 zusammen zwei parallele Einschubnuten 13, 14 zwischen den beiden Rohrkupplungsteilen 3, 4 in deren Verbindungsbereich definieren. In diese Umfangsnuten 13, 14 sind, wie insbesondere in der 2 gut erkennbar ist, zylinderförmige Scherelemente 15 kreisrunden Querschnitts eingesetzt. Diese sind hier auf eine flexible Seele 16 aufgefädelt und können durch Einsetzöffnungen 17, welche in der Steckmuffe ausgebildet sind, in die Einschubnuten 13, 14 eingebracht werden. Die gebildete Kette aus Scherelementen 15 besitzt dabei eine solche Länge, dass die Scherelemente 15 - mit der Ausnahme des Bereichs der Einsetzöffnung 17 - die Einschubnuten 13, 14 vollständig füllen. Durch die Scherelemente 15 werden die beiden Kupplungsteile 3, 4 axialfest miteinander verbunden.
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Der Ringspalt, welcher zwischen den beiden Rohrkupplungsteilen 3, 4 gebildet wird, ist gegen den Eintritt von Schmutz und gegen einen Austritt von Fluid abgedichtet. Hierzu sind entsprechende Dichtungen 18, 19 in korrespondierende Nuten 20, 21 in der Außenfläche des Steckzapfens 3 und der Innenfläche der Steckmuffe 4 vorgesehen. Die Abdichtung erfolgt dabei axial außerhalb der Einschubnuten 13, 14, so dass auch die Scherelemente 15 vor Schmutzpartikeln bzw. Fluid geschützt sind.
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Die Umfangsnuten 9, 10, 11, 12 sind so ausgebildet, dass sie jeweils hälftig eine Einschubnut 13, 14 ausbilden, wobei die eine Einschubnut 13, 14 bildenden Paare von Umfangsnuten 9, 11; 10, 12 einen zueinander korrespondierenden Querschnitt besitzen. Dieser umfasst an seinem einen Endbereich einen kreisbogenförmigen Abschnitt 22, der sich etwa über 90° erstreckt, und an seinem anderen Endbereich einen weiteren bogenförmigen Abschnitt 23. Der kreisbogenförmige Abschnitt 22 dient dabei als ein Aufnahmebereich für die Scherelemente 15 und besitzt daher den gleichen Radius/Durchmesser wie die Scherelemente 15. Der weitere bogenförmige Abschnitt 23 kann unterschiedlich ausgestaltet sein.
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Bei der in 3 dargestellten ersten Ausführungsform ist der weitere bogenförmige Abschnitt 23 ebenfalls kreisbogenförmig ausgebildet und besitzen den gleichen Krümmungsradius wie der kreisbogenförmige Abschnitt 22, wobei zwischen den beiden kreisbogenförmigen Abschnitten 22, 23 ein geradliniger Abschnitt 24 mit einer Länge von etwa 1 mm vorgesehen ist.
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Bei der in 4 dargestellten zweiten Ausführungsform schließt sich der weitere bogenförmige Abschnitt 23 unmittelbar an den kreisbogenförmigen Abschnitt 22 an, besitzt jedoch einen Durchmesser, der größer ist als der des kreisbogenförmigen Abschnitts 22.
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Bei beiden Ausführungsformen kann der Übergang 25 zwischen dem weiteren kreisbogenförmigen Abschnitt 23 und dem sich an die Umfangsnut anschließenden Wandungsabschnitts des Steckzapfens 3 bzw. der Steckmuffe 4 abgerundet ausgebildet sein, wie dies in der 5 bei der zweiten Ausführungsform dargestellt ist.
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Die beiden Einschubnuten 13, 14 besitzen, wie die 1 erkennen lässt, einen unterschiedlichen radialen Abstand von der Achse X der Rohrkupplung. Konkret besitzt die vordere Einschubnut 13, die näher zu dem in die Steckmuffe eingreifenden axialen Ende des Steckzapfens 3 liegt, einen geringeren Abstand von der Kupplungsachse X als die weiter von dem axialen Ende entfernt liegende hintere Einschubnut 14. Durch diese Ausgestaltung wird dem Umstand Rechnung getragen, dass bei einer Belastung der Kupplungsanordnung auf Zug, welche durch die Pfeile F in 1 angedeutet ist, die miteinander in Eingriff stehenden axialen Abschnitte des Steckzapfens 3 und der Steckmuffe 4 unterschiedlich stark belastet werden. So sind in dem in die Steckmuffe 4 eingreifenden Endabschnitt A, der zwischen der vorderen Stirnfläche des Steckzapfens 3 und der vorderen Einschubnut 13 liegt, überhaupt keine Kräfte wirksam. In dem zwischen den beiden Einschubnuten 13, 14 liegenden axialen Abschnitt B sind nur diejenigen Kräfte wirksam, welche über die vordere Einschubnut 13 in den Steckzapfen 3 eingeleitet werden, und erst im Abschnitt C sind die vollen Zugkräfte F wirksam. In umgekehrter Weise sind in dem axialen Abschnitt C der Steckmuffe 4 keine Zugkräfte wirksam, in dem zwischen den Umfangsnuten 13, 14 liegenden Abschnitt B nur diejenigen Zugkräfte wirksam, welche über die hintere Umfangsnut in die Steckmuffe 4 eingeleitet werden, und erst in dem Abschnitt A, der sich an die vordere Umfangsnut 13 anschließt, sind die gesamten Zugkräfte F wirksam. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung besitzt der Steckzapfen 3 in dem Abschnitt A, in welchem er nicht belastet ist, eine geringe Wandstärke, während die Steckmuffe 4 in demselben Abschnitt, in dem sie maximal belastet ist, eine große Wandstärke aufweist. In dem Abschnitt B, in dem der Steckzapfen 3 und die Steckmuffe 4 jeweils teilbelastet sind, besitzen die beiden Bauteile 3, 4 eine mittlere Wandstärke. In dem Abschnitt C schließlich besitzt die Steckmuffe 4 eine geringe Wandstärke, weil sie dort nicht belastet ist, hier besitzt der stark belastete Steckzapfen 3 entsprechend eine große Wandstärke.
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Mit anderen Worten sind die Wandstärken des Steckzapfens 3 und der Steckmuffe 4 in denjenigen Bereichen, in denen hohe axiale Zugkräfte in den Bauteilen 3, 4 wirksam sind, größer als in denjenigen Bereichen, in denen nur ein geringerer Teil der Axialkräfte in den Bauteilen 3, 4 wirksam sind. Entsprechend besitzen der Steckzapfen 3 und die Stecknuten 4 im Bereich der hinteren Einschubnut 14 einen axialen Abschnitt mit einem gemeinsamen Außen/Innen-Durchmesser D und im Bereich der vorderen Einschubnut 13 einen axialen Abschnitt mit einem kleineren gemeinsamen Au-ßen/Innen-Durchmesser d, wobei zwischen den beiden Abschnitten ein geneigter Übergangsbereich vorgesehen ist.
