DE102019106503A1

DE102019106503A1 - Sicherheitskupplung mit Druckregulierung

Info

Publication number: DE102019106503A1
Application number: DE102019106503.8A
Authority: DE
Inventors: Jochen Thielen
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2020-09-17
Also published as: WO2020182943A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitskupplung mit einer Antriebswelle (2) und einer Abtriebswelle (3), wobei die Antriebswelle (2) und die Abtriebswelle (3) koaxial zueinander angeordnet sind und die Antriebswelle (2) und die Abtriebswelle (3) mittels Druckbeaufschlagung einer in der Sicherheitskupplung ausgebildeten Druckkammer (4) kraftschlüssig verbindbar sind.Die Druckkammer (4) weist ein Volumen Vo auf. Zur Veränderung des Volumens der Druckkammer ist ein variables Element (10) vorgesehen, durch das das resultierende Volumen der Druckkammer veränderbar ist. Das in der Druckkammer befindliche Hydraulikmedium ist konstant. Durch Veränderung des Volumens der Druckkammer können Einflüsse, wie z.B. Temperaturschwankungen kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sicherheitskupplung. Die Sicherheitskupplung weist eine Antriebswelle auf, wobei diese Antriebswelle oder Antriebsflansch mit einer Abtriebswelle kraftschlüssig verbunden ist. Die Sicherheitskupplung umfasst eine Druckkammer. Diese Druckkammer ist mit einem Hydraulikmedium beaufschlagbar. Mittels des Druckes in der Druckkammer wird bei derartigen Sicherheitskupplungen ein Auslösedrehmoment, auch als vorbestimmtes Drehmoment bezeichnet, eingestellt. Bei einem das vorbestimmte Drehmoment überschreitenden Drehmoment resultiert eine Relativbewegung von Antriebswelle und Abtriebswelle. Von der Firma Voith ist zum Beispiel eine als SmartSet bezeichnete Sicherheitskupplung bekannt, bei der durch eine Relativbewegung von Antriebswelle und Abtriebswelle eine Druckentlastung der Druckkammer vorgesehen ist.
Durch die Druckentlastung der Druckkammer stehen die Antriebswelle und die Abtriebswelle nicht mehr oder nahezu nicht mehr in Wirkverbindung und können frei voneinander rotieren.
Nachteilig an den bekannten Lösungen ist, dass sich das Auslösemoment durch äußere Einflüsse verändern kann. So kann zum Beispiel durch eine gestiegene Umgebungstemperatur eine Druckerhöhung in der Druckkammer resultieren. Durch diese Druckerhöhung kann dann ein verspätetes Auslösen der Sicherheitskupplung bei einem das vorbestimmte Drehmoment übersteigendem Moment resultieren.
Weiterhin kann es bei manchen Anwendungen vorteilhaft sein, wenn auch während des Betriebes das durch die Sicherheitskupplung übertragbare Drehmoment noch einstellbar und regelbar ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, die Sicherheitskupplung weiterzubilden, so dass die Sicherheitskupplung zuverlässig bei einem vorbestimmten Auslösemoment auslöst.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Merkmale der erfindungsgemäßen Ausführung finden sich in den Unteransprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführung umfasst die Sicherheitskupplung eine Antriebswelle und eine Abtriebswelle. Die Antriebswelle und die Abtriebswelle sind koaxial zueinander angeordnet. Mittels Druckbeaufschlagung einer in der Sicherheitskupplung vorgesehenen Druckkammer sind die Antriebswelle und die Abtriebswelle kraftschlüssig verbindbar. Die Druckkammer kann sowohl in der Antriebswelle als auch in der Abtriebswelle ausgebildet sein. Diese Druckkammer weist ein Volumen Vo auf. Zur Veränderung des Volumens der Druckkammer ist ein variables Element vorgesehen. Dieses variable Element wirkt auf die Druckkammer ein. Durch dieses variable Element kann das Volumen und damit der Druck in der Druckkammer verändert werden.
Bei einem Temperaturanstieg dehnt sich das in der Druckkammer eingeschlossene Hydraulikmedium aus. Durch diese Ausdehnung resultiert eine Druckerhöhung in der Druckkammer. Durch diese Druckerhöhung wird der Kraftschluss erhöht und die Sicherheitskupplung würde erst bei einem höheren Drehmoment auslösen. Diese Druckerhöhung kann durch das variable Element kompensiert werden. Dadurch wird ein präziseres Auslösen der Sicherheitskupplung erreicht. Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass mittels des variablen Elementes gezielt das Volumen der Druckkammer verändert wird, um eine Einstellung auf ein Auslösemoment vorzunehmen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das variable Element in die Druckkammer hineinschiebbar angeordnet ist. Dadurch wird direkt eine Volumenveränderung erreicht. Diese Anordnung ist besonders einfach und kostengünstig.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das variable Element durch ein Federelement kraftbeaufschlagt wird. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass das variable Element selbsteinstellend ist. Das heißt, bei einer Druckerhöhung in der Druckkammer wird das Federelement mit einer erhöhten Kraft beaufschlagt, was eine Kompression des Federelementes und eine Verschiebung des variablen Elementes bedingt. Durch die Verschiebung wird eine Volumenvergrößerung der Druckkammer erreicht. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt ein Federelement mit einer flachen Federkennlinie einzusetzen. Als flache.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist als variables Element ein Bolzen vorgesehen. Der Bolzen ist verschiebbar angeordnet. Durch Verschiebung des Bolzens ist eine Veränderung des Volumens der Druckkammer einstellbar. Vorzugsweise ist der Bolzen entlang seiner Mittenachse verschiebbar in der Welle angeordnet, in der die Druckkammer ausgebildet ist.
In einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das variable Element ein Schraubelement ist. Durch eine Drehbewegung des Schraubenelementes ist das Schraubenelement verschiebbar. Das Gewinde des Schraubenelementes stellt damit eine Übersetzungsstufe der Betätigungskraft dar. Ist Beispielsweise ein motorischer Antrieb des variablen Elementes vorgesehen, so kann ein Motor mit einer geringeren Leistung eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Druckkammer abgeschlossen und mit einem dünnwandigen Bereich ausgebildet ist. Das variable Element wirkt auf den dünnwandigen Bereich der Druckkammer. Dadurch wird dieser dünnwandige Bereich ausgelenkt und eine Veränderung des Volumens der Druckkammer bewirkt. Durch die Ausbildung des dünnwandigen Bereiches wirkt das variable Element indirekt auf die Druckkammer. Es ist eine Abdichtung zwischen dem variablen Element und der Druckkammer nicht erforderlich. Es kann somit keine Leckage aufgrund des variablen Elementes auftreten. Diese Konstruktion ist somit besonders langlebig.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, eine Sicherheitskupplung bereitzustellen, bei der das Auslösemoment auch noch während dem Betrieb geregelt werden kann.
Eine Einstellbarkeit des Auslösemomentes ist durch Vorsehen eines Antriebes möglich. In einer Ausführungsvariante ist der Antrieb dem variablen Element zugeordnet. Durch den Antrieb ist die Position des variablen Elementes zur Veränderung des Volumens der Druckkammer veränderbar. Dadurch kann der Druck in der Druckkammer aktiv eingestellt werden. Eine aktive Steuerung und/oder Regelung des Volumens der Druckkammer wird möglich. In Abhängigkeit von hinterlegten Daten kann eine Einstellung der Position des variablen Elementes mit dem Antrieb durchgeführt werden. Ist insbesondere ein Drucksensor vorgesehen, so kann der Druck in der Druckkammer durch Ansteuerung des Antriebes auf einen vorbestimmten Druck geregelt werden. Dadurch kann ein besonders exaktes Auslösen der Sicherheitskupplung erreicht werden. Es kann auch ein Auslösemoment aktiv während des Betriebes eingestellt werden.
Sind in einem Antriebsstrang unterschiedliche Drehmomente in Abhängigkeit von dem Betriebsmodus zulässig, so ist mit einer derartigen Sicherheitskupplung das Auslösemoment der Sicherheitskupplung auch während des Betriebes einstellbar.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Sicherheitskupplung mit einem Temperatursensor versehen ist. Die von der Temperatur abhängigen Drücke in der Druckkammer können hinterlegt sein und es ist mit einem vorhandenen Antrieb die Position des variablen Elements einstellbar. Damit ist das Auslösemoment besonders exakt in Abhängigkeit von der Temperatur einstellbar. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Temperaturmessung innerhalb der Druckkammer vorgesehen. Dadurch wird nochmals die Genauigkeit der Druckbestimmung des Druckes in der Druckkammer anhand der Temperatur möglich.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Drucksensor für die Erfassung des Druckes in der Druckkammer vorgesehen ist. Dieser Drucksensor ist vorzugsweise in das variable Element integriert. So kann beispielsweise der Drucksensor in den in die Druckkammer hineinragenden Bolzen integriert sein. Dadurch ist ein besonders kompakter Aufbau möglich.
In einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die Sicherheitskupplung mit einem Drehmomentsensor versehen ist. Dadurch ist nachvollziehbar bei welchem Drehmoment die Sicherheitskupplung ausgelöst hat. Es ist damit auch möglich aktiv ein Auslösen der Sicherheitskupplung zu unterstützen indem der Druck in der Druckkammer aktiv erniedrigt wird. Besonders vorteilhaft hat sich die Messung des auf die Abtriebswelle übertragenen Drehmomentes herausgestellt. Damit ist nachvollziehbar, welches Drehmoment noch über die Sicherheitskupplung erfolgt ist. Durch eine derartige Anordnung lassen sich im Nachgang Fehlfunktionen der Sicherheitskupplungen ermitteln und die Auslegung der Sicherheitskupplung anpassen als auch ein Auslösen der Sicherheitskupplung bei einem aktiv positionierbaren variablen Element bei Überschreitung des vorgestimmten Momentes unterstützen oder durchführen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass für eine Erfassung der Drehzahl der Antriebswelle und/oder der Abtriebswelle mindestens ein Drehzahlsensor vorgesehen ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass einer zugeordneten Steuerung die Drehzahlen zugeleitet werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das variable Element in axialer Richtung verschiebbar angeordnet ist. Dadurch ist der Einfluss der Drehzahl, durch die auf das variable Element wirkende Zentrifugalkraft verhindert, zumindestens erheblich reduziert.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das variable Element mit einer Verzahnung versehen ist, wobei die Verzahnung mit einem als Zahnrad ausgebildeten Abtrieb des Antriebes in Eingriff steht. Dadurch ist eine weitere Übersetzungsstufe integriert, wodurch auch drehmomentschwächere Antriebe einsetzbar sind. Dadurch ist eine derartige Ausführung besonders kompakt.
In einer weiteren Ausführungsvariante ist eine Steuerung vorgesehen. Die Steuerung ist in oder an der Sicherheitskupplung vorgesehen und steuert oder regelt eine Auslenkung des variablen Elementes. Vorteilhafter Weise ist insbesondere eine Energiegewinnung für eine Bereitstellung der erforderlichen Energie für vorgesehene Sensoren und den Antrieb vorgesehen. Dadurch ist es möglich, die Sicherheitskupplung als autarke Einheit auszubilden. Insbesondere ist eine Stromzuführung für einen elektrischen Motor als Antrieb nicht erforderlich, was zu einer einfachen Konstruktion beiträgt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung oder Regelung des Druckes in einer Druckkammer einer Sicherheitskupplung wobei eine Steuerung vorgesehen ist und der Steuerung Daten von einem Temperatursensor, Drucksensor, Drehzahlsensoren und/oder Drehmomentsensor zugeführt werden und ein Antrieb zur Einstellung der Position eines variablen Elementes angesteuert wird. Durch die Position des variablen Elementes wird das Volumen einer in der Sicherheitskupplung vorgesehenen Druckkammer eingestellt.
Anhand von Ausführungsbeispielen werden weitere vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die genannten Merkmale können nicht nur in der dargestellten Kombination vorteilhaft umgesetzt werden, sondern auch einzeln untereinander kombiniert werden. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1: Sicherheitskupplung mit radial angeordnetem variablem Element zur automatischen Druckregulierung
2: Sicherheitskupplung mit dünnwandigem Bereich und variablem Element
3: Sicherheitskupplung mit radial angeordnetem Bolzen und Antrieb
4: Sicherheitskupplung mit dünnwandigem Bereich und Antrieb
5: Sicherheitskupplung mit axial angeordnetem variablem Element
6: Sicherheitskupplung mit axial angeordnetem Element in kompakter Ausführung
7: Schnitt entlang B-B durch die in 6 dargestellte Ausführung
8: Sicherheitskupplung mit axial angeordnetem variablen Element und Antrieb
9: Schnitt entlang B-B durch die in 8 dargestellte Ausführung
10: Sicherheitskupplung mit variablem Element und Sensorik und einer zugeordneten Steuereinheit

Nachfolgend werden die Figuren detaillierter beschrieben.
In 1 ist eine Sicherheitskupplung 1 gezeigt. Bei der Sicherheitskupplung 1 ist eine Antriebswelle 2 zu einer Abtriebswelle 3 koaxial angeordnet. Die Antriebswelle ist in dem Beispiel als Hohlwelle ausgestaltet und umgibt die Abtriebswelle 3 außen. Die Abtriebswelle könnte auch als Hohlwelle ausgestaltet sein und die Anordnung von Antriebswelle und Abtriebswelle könnte vertauscht sein. Bei der Sicherheitskupplung ist in der Antriebswelle 2 eine Druckkammer 4 ausgebildet. Durch den Druck in der Druckkammer 4 ist eine reibschlüssige Verbindung 24 zwischen Antriebs- 2 und Abtriebswelle 3 herstellbar. Bei derartigen Sicherheitskupplungen ist ein Anschluss, nicht dargestellt, zum Befüllen der Sicherheitskupplungen mit Hydraulikmedium vorgesehen. Durch Wahl des Druckes ist das übertragbare Drehmoment einstellbar. Die Druckkammer könnte auch in der Abtriebswelle ausgebildet sein. Zum Verbinden der Sicherheitskupplung mit einem Antriebsstrang ist die Antriebswelle 2 mit einem Flansch 5 und die Abtriebswelle 3 mit einem Flansch 6 ausgebildet.
Bei dieser Ausführung ist ein variables Element 10 vorgesehen. Das variable Element ist in Form eines Bolzens 16 ausgebildet. Der Bolzen ist in der Welle gelagert, in der die Druckkammer 4 ausgebildet ist. Ein freies Ende des Bolzens 16 wirkt auf das in der Druckkammer 4 befindliche Hydraulikmedium. Damit das Hydraulikmedium in der Druckkammer 4 verbleibt ist die Dichtung 11 vorgesehen. Auf der der Druckkammer 4 abgewandten Seite des Bolzens 16 ist ein Federelement 13 angeordnet. Das Federelement 13 stützt sich gegen einen mit der Antriebswelle 2 fest verbundenen Deckel 14 ab. Das andere Ende des Federelementes 13 wirkt auf das der Druckkammer 4 abgewandte Ende des Bolzens 16. Durch das Federelement 13 ist der Bolzen 16 in Richtung Druckkammer 4 vorgespannt. Steigt der Druck in der Druckkammer 4, so wirkt dieser Druck auf das eine Ende den Bolzens 16 und über den Bolzen auf das Federelement 13. Durch diese wirkende Kraft wird das Federelement 13 zusammengedrückt und der Bolzen 16 in radialer Richtung 9 nach radial außen entlang der Längsachse 12 des variablen Elementes 10 verschoben. Dadurch wird das Volumen der Druckkammer 4 vergrößert.
Es gilt: $V_{DK} = V_{0} + f_{1} * Δ x_{1}$
Dabei ist V_DK das resultierende Volumen der Druckkammer 4 und f₁ die der Druckkammer 4 zugewandte Fläche des Bolzens 16. Δx₁ ist die Verschiebung des Bolzens 16 in radialer Richtung. Die Verschiebung resultiert aus den geänderten Druckverhältnissen in der Druckkammer 4 und der entgegenwirkenden Federkraft des Federelementes 13. Es stellt sich wieder ein Kräftegleichgewicht ein. Durch die Auswahl des Federelementes 13 kann erreicht werden, dass der resultierende Druck in der Druckkammer 4 konstant bleibt.
Fällt der Druck in der Druckkammer 4 ab, so wird der Bolzen 16 in die Druckkammer 4 durch die wirkende Federkraft hineingedrückt und das resultierende Volumen der Druckkammer 4 wird durch den Bolzen 16 verringert. Dadurch wird der vorbestimmte Druck wieder eingestellt. Bei langsamen Bedingungsveränderungen, wie äußeren Temperaturschwankungen, kann die Veränderung durch das variable Element 10 quasi sofort ausgeglichen werden und es wird ein konstant vorherrschender Druck in der Druckkammer 4 erreicht.
Herrscht in der Druckkammer z.B. ein Druck p0 von 1000bar und hat der Bolzen 13 einen Durchmesser von d1 = 10 mm, ergibt sich eine Kraft auf den Bolzen von ca. 7,9 kN. Dies ist also die Kraft, die von dem Federelement 13 aufgebracht werden muss. Steigt der Druck in der Druckkammer 4 an, erhöht sich somit die Kraft auf den Bolzen 16 und demnach auch auf das Federelement 13. Das Federelement 13 wird komprimiert, der Bolzen 16 wandert radial nach außen, sodass das Volumen der Druckkammer vergrößert wird bis sich wieder ein Gleichgewicht zwischen Federkraft und Kammerdruck der Druckkammer 4 einstellt. So kann der Kammerdruck nahezu konstant gehalten werden. Bei der Federauslegung ist anzustreben, dass eine möglichst flache Federkennlinie realisiert wird, d.h. dass eine „weiche“ Feder verwendet wird. So wird ein sich selbsteinstellendes Druckkammervolumen realisiert, ohne dass eine zusätzliche Pumpe oder eine zusätzliche Energieversorgung oder Steuerung benötigt wird. Demzufolge ist eine solche Lösung signifikant kostengünstig. Die Darstellung in 1 ist nur eine mögliche Ausführungsform. Prinzipiell können alle bekannten Arten von Federtypen verwendet werden (Tellerfedern, Plattfedern, pneumatische Federn, ...). Außerdem ist in 1 das Feder/Bolzen System radial angeordnet. Das hat als Nachteil, dass die Fliehkraft bei rotierender Kupplung bei der Auslegung mit berücksichtigt werden muss. Alternativ kann das Feder/Bolzen System auch axial angeordnet werden, um den Fliehkrafteinfluss zu eliminieren. Des Weiteren ist die Anzahl der Federelement/Bolzen Einheiten je nach Sicherheitskupplung 1 beliebig. Mit einer größeren Anzahl sinkt die Federauslenkung bei Druckänderungen, sodass sich die Änderung der Federkraft ebenfalls reduziert. Das hat zur Folge, dass der vorbestimmte Druck, auch als Solldruck bezeichnet, in einer engeren Toleranz gehalten werden kann.
Außerdem ist zu berücksichtigen, dass die Abdichtung des Bolzens 16, in 1 exemplarisch als O-Ring dargestellt, Reibung erzeugt. Durch die Reibung wird das ganze Feder/Bolzen System mit einer Hysterese behaftet in Bezug auf die für eine Verschiebung des Bolzens erforderliche Kraft. Über die Auswahl von der Dichtung sowie über die Auswahl des Durchmessers des Bolzens 16 und somit der resultierenden Kraft, kann die Hysterese beeinflusst werden. Über diese Stellgrößen kann eine passgenaue Auslegung des selbstregulierenden Systems erfolgen.
Ziel ist, die Hysterese möglichst klein zu halten. Da die in 1 gezeigte Dichtung 11 jedoch immer Reibung und somit eine Hysterese verursacht, kann die nachfolgend anhand von 2 erläuterte Ausführung von Vorteil sein.
In 2 ist eine Sicherheitskupplung 1 gezeigt, bei der das gezeigte variable Element 10 auf einen dünnwandigen Bereich einwirkt. Der dünnwandige Bereich 7 stellt einen Wandbereich der Druckkammer 4 dar. Durch den dünnwandigen Bereich 7 ist es möglich die Druckkammer als eine geschlossene Kammer auszubilden und dennoch eine Veränderung des Volumens der Druckkammer 4 durch eine elastische Verformung des dünnwandigen Bereiches zu ermöglichen. Eine Abdichtung des variablen Elementes ist somit nicht erforderlich. Dichtungen unterliegen der Alterung und stellen damit potentielle Leckagen dar. Darüber hinaus wird bei dieser Ausführung die durch die Dichtung/Reibung bedingte Hysterese verhindert. Die Funktion unterscheidet sich ansonsten nicht von dem Anhand von 1 beschriebenen Funktionsprinzip.
In 3 ist eine alternative Ausführung gezeigt. Bei dieser Ausführung ist das variable Element 10 durch einen vorgesehenen Antrieb 30 in radialer Richtung 9 entlang der Längsachse 12 des variablen Elementes 10 verschiebbar angeordnet. Das variable Element 10 ist mit einem Gewinde 19 versehen, so dass aus einer rotatorischen Bewegung durch einen Antrieb 30 eine Linearbewegung des variablen Elementes 10 resultiert. Durch Ansteuerung des Antriebes 30 kann das Volumen der Druckkammer 4 und somit der Druck gezielt eingestellt werden. Als Antrieb ist ein Elektromotor vorgesehen, der ortsfest auf der Antriebswelle angeordnet ist. Zur Ansteuerung des Elektromotors können eine Steuerung und zugeordnete Sensoren, wie insbesondere in 10 gezeigt, vorgesehen sein.
Die in 4 gezeigte Ausführung entspricht der in 2 gezeigten Ausführung mit einem dünnwandigen Bereich. Allerdings ist bei der in 4 gezeigten Ausführung ein Antrieb 30 für die Positionierung des variablen Elementes vorgesehen. Ein Antrieb zum Antreiben des variablen Elementes und den damit verbundenen Vorteilen wird nachfolgend anhand von 10 näher beschrieben.
Ist zur Vorspannung ein weiterer Gewindebolzen vorgesehen, nicht gezeigt, so kann der Federvorspannweg durch diesen Gewindebolzen gezielt variiert werden. Dadurch ist es möglich, gezielt Drücke über die Federvorspannung einstellen zu können.
Die Energieversorgung des Motors kann über Energy Harvesting 32 erfolgen. So kann über einen Generator, der aus der Rotationsenergie der Sicherheitskupplung elektrische Energie gewinnt, dem Motor diese Energie zur Verfügung gestellt werden. Eine weitere Alternative zur Energieversorgung des Motors ist der Energieübertrag von einem stehenden Element zum rotierenden Rotor. Das kann z.B. über einen Schleifring erfolgen oder über berührungslose Energieübertragung wie z.B. eine induktive oder kapazitive Energieübertragung oder via Laser oder Mikrowellen.
In 5 ist eine Ausführung gezeigt, bei der der als variables Element 10 vorgesehene Bolzen 16 parallel zur Rotationsachse 8 angeordnet ist. Das dem Federelement 13 abgewandte Ende des Bolzens 16 ist über einen Verbindungskanal 23 mit der Druckkammer 4 verbunden. Durch die Anordnung des variablen Elementes 10 parallel zur Rotationsachse 8 ist der Einfluss der drehzahlabhängigen Fliehkraft auf das variable Element 10 und das Federelement 13, abgesehen von wirkenden Reibkräften, eliminiert. Die axiale Länge der Sicherheitskupplung 1 wird durch diese Anordnung des variablen Elementes 10 vergrößert. Die prinzipielle Funktionsweise entspricht der anhand von 1 beschriebenen Funktion.
Die Ölsäule der Höhe h unterliegt natürlich weiterhin dem Fliehkrafteinfluss. Das heißt, der Druck der Ölsäule am Punkt B wird geringer sein als der Druck am Punkt A aufgrund der Fliehkraft. Um diesen Einfluss möglichst gering zu halten, ist die Höhe h und somit auch der Bolzendurchmesser 17 möglichst gering zu wählen. Demzufolge kann es aus Sicht der Minimierung des Fliehkrafteinflusses sinnvoll sein, ein variables Element 10 mit möglichst geringem Durchmesser zu verwenden. Es können mehrere über den Umfang verteilte variable Elemente eingesetzt werden.
Anhand von 6 und 7 wird eine weitere Ausführung erläutert. Bei dieser Ausführung sind mehr variable Elemente 10 vorgesehen. Die variablen Elemente sind als Bolzen 16 ausgebildet und über den Umfang verteilt angeordnet. Jedem variablen Element ist jeweils ein Federelement 13 zugeordnet. Durch das zugeordnete Federelement 13 wird jedes variable Element 10 in Richtung Druckkammer 4 mit Kraft beaufschlagt. Die variablen Elemente sind in axialer Richtung verschiebbar in der Antriebswelle gelagert. Es sind Dichtungen 11 vorgesehen, damit kein Hydraulikmedium aus der Druckkammer entweichen kann. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch ein besonders kompaktes Design und eine kurze axiale Baulänge auch bei axialer Anordnung der variablen Elemente aus. Anstelle der Vielzahl an variablen Elementen 10 könnte auch ein Ring als variables Element 10 vorgesehen sein, durch den die Druckkammer 4 an einem axialen Ende abgeschlossen wird. Für eine Kraftbeaufschlagung könnten mehrere oder ein Federelement vorgesehen sein. Um eine Drehung des variablen Elementes 10 zu verhindern ist eine Führung 15 vorgesehen. Ein Verdrehen des variablen Elementes 10 um die Rotationsachse 8 wäre zum einen für die Dichtungen 11 wegen einem erhöhten Verschleiß und auch für die Federelemente nachteilig.
Anhand von 8 und 9 wird ein Ausführungsbeispiel mit axial angeordnetem variablem Element mit zugeordnetem Antrieb erläutert. Als Antrieb 2 ist ein elektrischer Motor vorgesehen. Der Motor ist fest mit der Antriebswelle 2 verbunden. Auf einer rotatorisch antreibbaren Abtriebswelle des Motors 30 sitzt ein Zahnrad 33. Das Zahnrad 33 kämmt mit einer Verzahnung 21 des variablen Elementes 10. Das variable Element 10 ist koaxial zur Abtriebswelle angeordnet und axial verschiebbar in der Antriebswelle gelagert. Ein Ende wirkt auf die in der Antriebswelle angeordnete Druckkammer 4. In dieser Ausführungsvariante ragt ein Ende direkt in die Druckkammer hinein. Für eine Abdichtung sind in dieser Ausführung zwei Dichtungen 11a, 11b vorgesehen, so dass kein Hydraulikmedium aus der Druckkammer 4 im Bereich des variablen Elementes 10 entweichen kann. Eine der Dichtungen 11a ist zur Abdichtung der inneren Mantelfläche und die zweite Dichtung ist zur Abdichtung der äußeren Mantelfläche 11b vorgesehen. Das variable Element 10 ist als Schraubelement 18 mit einem Gewinde 19 versehen. Das Gewinde 19 greift in ein in der Antriebswelle 2 ausgebildetes Gewinde ein. Durch dieses Gewinde resultiert aus der rotatorischen Bewegung des variablen Elementes 10 eine axiale Bewegung des variablen Elementes 10. Das heißt, das variable Element 10 führt eine Rotationsbewegung und eine axiale Bewegung 8 parallel zur Rotationsachse gleichzeitig durch. Das Zahnrad mit der Verzahnung 21 des variablen Elementes 10 stellt eine erste Übersetzungsstufe und das Gewinde stellt eine zweite Übersetzungsstufe dar. Dieser Aufbau mit dem Antrieb ist kompakt aufgebaut und die durch das variable Element bedingte axiale Verlängerung der Sicherheitskupplung ist kleiner als 10 % der Länge einer vergleichbaren Sicherheitskupplung ohne variables Element.
Anhand von 10 wird eine Sicherheitskupplung mit zugeordneter Sensorik erläutert. Für eine aktive Steuerung der Position des variablen Elementes 10 werden einer Steuerung Signale von zugeordneten Sensoren zugeleitet. Es kann ein Temperatursensor 51 vorgesehen sein. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Temperatursensor zur Erfassung der Umgebungstemperatur auf dem Außenumfang der Antriebswelle 2 angeordnet. Dadurch können in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur anhand von in einer Steuerung hinterlegten Daten auf eine Volumenvergrößerung des in der Druckkammer 4 eingeschlossenen Hydraulikmediums geschlossen werden. Es kann auch vorgesehen sein durch einen Temperatursensor die Temperatur des Hydraulikmediums direkt zu erfassen. Der Vorteil bei einem am Außenumfang angeordneten Temperatursensor 51 ist, dass dieser bei einem Defekt leicht ausgewechselt werden kann. Nahezu unabhängig von der eigentlichen Temperatur sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Öl (ca. 70 µm/(mK)) und Stahl (ca. 12 µm/(mK)). Damit kann die Wärmeabhängigkeit der Ausdehnungskoeffizienten vernachlässigt werden. Wenn die Kupplung bei Raumtemperatur von 25°C befüllt und der Solldruck eingestellt wird, wird sich bei Temperaturen >25°C der Druck erhöhen infolge der größeren Ausdehnung des Öls. Bei Temperaturen <25°C wird sich der Druck mindern infolge davon, dass das Ölvolumen mehr abnimmt als das Volumen der Druckkammer.
Darüber hinaus kann alternativ zu dem Temperatursensor 51 ein Drucksensor 52 zur Erfassung des Druckes in der Druckkammer 4 vorgesehen sein. Der Sensor kann auch in das variable Element 10 integriert sein, nicht dargestellt. Dadurch könnte bei einem Defekt durch den Austausch des variablen Elementes der Drucksensor ausgetauscht werden. Auch kann ein Einbringen des Drucksensors 52 bei demontiertem variablem Element vorgesehen sein. Für die Aufnahme eines Drucksensors könnte eine Ausnehmung in der Druckkammer vorgesehen sein, nicht dargestellt.
In der dargestellten Ausführung ist ein Drehmomentsensor 53 an der Abtriebswelle vorgesehen. Dadurch kann erfasst werden, welche Drehmomente über die Sicherheitskupplung übertragen werden. Somit ist es möglich bei Überschreiten eines vorbestimmten Druckes oder vorbestimmten übertragbaren Drehmomentes durch eine aktive Ansteuerung den Druck in der Druckkammer zu korrigieren bzw. anzupassen. Da jedoch das variable Element träge ist, kann diese Information insbesondere für ein selbstlernendes System zur Einhaltung der Übertragung des vorbestimmten Drehmomentes vorgesehen sein.
Alternativ oder zusätzlich können Drehzahlsensoren 54 an Antriebswelle und/oder Abtriebswelle vorgesehen sein bzw. die Drehzahlinformation kann durch angrenzende Aggregate, wie einem der Antriebswelle 2 zugeordneten Antrieb, zur Verfügung gestellt werden.
Die Daten der Sensoren werden einer zugeordneten Steuerung 22 zugeleitet und dort verarbeitet. Die Steuerung 22 kann an der Sicherheitskupplung 1 angeordnet sein oder in einer separat angeordneten Steuereinheit 55 integriert sein.
Zur Versorgung mit elektrischer Energie ist eine Energiegewinnungseinheit 32 vorgesehen, wobei vorzugsweise der die elektrische Energie bereitstellende Teil mit der Sicherheitskupplung mitrotierend angeordnet ist. So können auf der äußeren Welle Spulen angeordnet sein, die mit der Welle mitrotieren und die von ortsfest angeordneten Magneten umgeben werden. Andere Einheiten zur Energiegewinnung wie z.B. basierend auf Piezoelementen, können auch vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Sicherheitskupplung
2: Antriebwelle
3: Abtriebswelle
4: Druckkammer
5: Flansch der Antriebswelle
6: Flansch der Abtriebswelle
7: dünnwandiger Bereich
8: Rotationsachse / axiale Richtung
9: radiale Richtung
10: variables Element
11: Dichtung
11a: Dichtung am inneren Umfang
11b: Dichtung am äußeren Umfang
12: Längsachse des variablen Elementes
13: Federelement
14: Deckel
15: Führung des variablen Elementes
16: Bolzen
17: Durchmesser Bolzen
18: Schraubelement
19: Gewinde des variablen Elementes
21: Verzahnung
22: Steuerung
23: Verbindungskanal
24: reibschlüssige Verbindung/kraftschlüssige Verbindung von 2 und 3
30: Antrieb, E-Motor
32: Energiegewinnungseinheit; Harvesting Einheit ( Generator/ Piezoel.)
33: Zahnrad der Abtriebswelle des Antriebs
51: Temperatursensor
52: Drucksensor
53: Drehmomentsensor
54: Drehzahlsensor
55: zentrale Steuereinheit

Claims

Sicherheitskupplung (1) umfassend eine Antriebswelle (2) und eine Abtriebswelle (3), wobei die Antriebswelle (2) und die Abtriebswelle (3) koaxial zueinander angeordnet sind und die Antriebswelle (2) und die Abtriebswelle (3) mittels Druckbeaufschlagung einer in der Sicherheitskupplung ausgebildeten Druckkammer (4) kraftschlüssig verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (4) ein Volumen Vo aufweist, wobei zur Veränderung des Volumens der Druckkammer (4) ein variables Element (10) auf die Druckkammer (4) einwirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das variable Element (10) in die Druckkammer (4) hineinschiebbar angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das variable Element durch ein Federelement (13) kraftbeaufschlagt wird.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das variable Element (10) ein Bolzen (16) ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das variable Element (10) ein Schraubelement (18) ist.
Sicherheitskupplung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer (4) abgeschlossen und mit einem dünnwandigen Bereich (7) ausgebildet ist und das variable Element (4) auf den dünnwandigen Bereich (7) der Druckkammer (4) zur Veränderung des Volumens der Druckkammer (4) wirkt.
Sicherheitskupplung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem variablen Element (10) ein Antrieb (30) zugeordnet ist, wobei durch den Antrieb (30) die Position des variablen Elementes (10) zur Veränderung des Volumens der Druckkammer (4) veränderbar ist.
Sicherheitskupplung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitskupplung (1) mit einem Temperatursensor (51) versehen ist.
Sicherheitskupplung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Drucksensor (52) für die Erfassung des Druckes in der Druckkammer (4) vorgesehen ist, wobei vorzugsweise das variable Element (4) mit einem Drucksensor (52) versehen ist.
Sicherheitskupplung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sicherheitskupplung (1) mit einem Drehmomentsensor (53) versehen ist, wobei der Drehmomentsensor (53) vorzugsweise das auf die Abtriebswelle (3) übertragene Drehmoment erfasst.
Sicherheitskupplung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Erfassung der Drehzahl der Antriebswelle (2) und/oder der Abtriebswelle (3) ein Drehzahlsensor (54) vorgesehen ist.
Sicherheitskupplung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das variable Element (10) in axialer Richtung (8) verschiebbar angeordnet ist.
Sicherheitskupplung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das variable Element (10) mit einer Verzahnung (21) versehen ist.
Sicherheitskupplung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Ausführung mit einem Antrieb (30) für eine Auslenkung des variablen Elementes (10) eine Steuerung zur Steuerung und/oder Regelung des Druckes in der Druckkammer (4) vorgesehen ist.
Verfahren zur Steuerung oder Regelung des Druckes in einer Druckkammer (4) einer Sicherheitskupplung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (22) vorgesehen ist und der Steuerung (22) Daten von mindestens einem der nachfolgenden Sensoren wie einem Temperatursensor (51), Drucksensor (52), Drehzahlsensor (54) und/oder Drehmomentsensor (53) zugeführt werden und der Antrieb zur Einstellung der Position des variablen Elementes (10) angesteuert wird.