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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine elektrisch verstellbare und nach dem Sperrkörperprinzip arbeitende Sicherheitskupplung. Solche Sicherheitskupplungen ermöglichen es, die Verbindung zwischen einer Antriebs- und einer Abtriebswelle bei Überschreiten eines Grenzmoments automatisch zu unterbrechen und dadurch das übertragene Drehmoment auf das Grenzmoment zu begrenzen.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Kupplungen dienen zur Übertragung von Drehmomenten zwischen einer Antriebs- und einer Abtriebswelle. Neben schaltbaren und nicht schaltbaren Kupplungen gibt es selbstschaltende Kupplungen, bei denen ein Schaltvorgang automatisch durch einen Betriebsparameter ausgelöst wird.
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Selbstschaltende Kupplungen, bei denen es sich bei dem Betriebsparameter um das Drehmoment handelt, werden hauptsächlich zur Drehmomentbegrenzung zwischen Antriebs- und Abtriebswelle verwendet und als Sicherheitskupplungen bezeichnet. Da eine Sicherheitskupplung das auftretende Drehmoment auf ein vorgegebenes Grenzmoment beschränkt, genügt es, die dem Drehmoment ausgesetzten Komponenten der Maschine, die durch die Sicherheitskupplung geschützt werden soll, auf die Übertragung des Grenzmoments hin auszulegen. Über das Grenzmoment hinausgehende Spitzenmomente, wie sie beispielsweise beim Blockieren eines Werkzeugs in einem Werkstück auftreten können, müssen von den Komponenten der Maschine nicht bewältigt werden.
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Zur Drehmomentbegrenzung werden in Sicherheitskupplungen in der Regel Sperrkörper eingesetzt, bei denen es sich in der Praxis meist um Kugeln handelt. Diese sind in konischen Senkungen der Kupplungshälften aufgenommen, wobei mindestens eine Kupplungshälfte axial beweglich gelagert ist. Wird das Grenzmoment überschritten, drücken die Kugeln die axial bewegliche Kupplungshälfte von der anderen Kupplungshälfte weg, wodurch die Verrastung durch die Kugeln aufgehoben wird.
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Bei Werkzeugmaschinen ist es häufig wünschenswert, das Grenzmoment in Abhängigkeit vom Bearbeitungsprozess und dem zu bearbeitenden Werkstück verstellen zu können. So wird es in der Regel zweckmäßig sein, beim schrägen Anbohren einer geneigten Glasoberfläche mit einem dünnen Bohrer ein geringeres Grenzmoment einzustellen als beim Bohren einer Stahlplatte, die senkrecht zu einem dicken Bohrer ausgerichtet ist. Allein mit der Ansteuerung des Antriebs lässt sich eine Begrenzung des Drehmoments häufig nicht erreichen, da dieses nicht nur vom Antriebsmoment, sondern auch von dem Widerstand abhängt, den das Werkzeug durch die Bearbeitung des Werkstücks erfährt.
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Eine Sicherheitskupplung mit einem elektrisch verstellbaren Grenzmoment ist aus der UA 2004 20859 bekannt. Die angetriebene Kupplungshälfte ist dort mit einem Permanentmagneten verbunden, der benachbart zu einem Elektromagneten angeordnet und von diesem durch einen umlaufenden Luftspalt getrennt ist. Der Permanentmagnet ist gemeinsam mit der angetriebenen Kupplungshälfte in axialer Richtung beweglich gelagert, so dass der Abstand zur treibenden Kupplungshälfte variabel ist. Durch den Elektromagneten wird über den Permanentmagneten auf die angetriebene Kupplungshälfte eine veränderbare und in axiale Richtung wirkende Kraft ausgeübt, mit der die angetriebene Kupplungshälfte gegen die treibende Kupplungshälfte gepresst wird. Als Sperrkörper werden auch hier Kugeln verwendet, die in konischen Senkungen eingesetzt sind, die an den einander gegenüberliegenden Kupplungshälften ausgebildet sind. Bei Überschreiten des Grenzmomentes, das durch die vom Elektromagneten erzeugte Anpresskraft vorgegeben wird, rollen die Kugeln aus ihrer Einrastposition heraus. Die beiden Kupplungshälften werden dabei gegen den Widerstand der magnetischen Kräfte auseinandergedrückt, wodurch sich die Breite des Luftspaltes verringert. Diese Breite wird von einem Sensor erfasst, der mit der Steuerung der Maschine verbunden ist, die daraufhin beispielsweise die Antriebsleistung des Antriebs verringert.
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Bei der Verwendung von kugelförmigen Sperrkörpern wird das Drehmoment nur an einzelnen Punkten übertragen. Deswegen müssen die Kugeln und auch die Kupplungshälften, in denen die konischen Senkungen ausgebildet sind, aus hochwertigen gehärteten Werkstoffen bestehen und sehr präzise bearbeitete Oberflächen haben. Während das Fräsen solcher Senkungen keine größeren Probleme macht, ist es schwierig und deswegen teuer, die konischen Oberflächen anschließend durch Schleifen so zu bearbeiten, dass die geforderten niedrigen Rauheitswerte erreicht werden.
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Außerdem kann es vorkommen, dass bei Überschreiten des Grenzmoments die Kugeln aus den Senkungen herausfallen, wodurch die Sicherheitskupplung unbrauchbar wird und Gefahrensituationen entstehen können.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der Erfindung ist es deswegen, eine Sicherheitskupplung anzugeben, die besonders einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Sicherheitskupplung mit einer Tragstruktur, einer treibenden Kupplungshälfte, die drehfest mit einer Antriebswelle verbindbar ist, und einer angetriebenen und relativ zu der treibenden Kupplungshälfte axial gelagerten Kupplungshälfte, die drehfest mit einer Abtriebswelle verbindbar ist, die beispielsweise ein Werkzeug in einer Werkzeugmaschine in Drehung versetzt. Ein Permanentmagnet ist zumindest in axialer Richtung fest mit der angetriebenen Kupplungshälfte verbunden. Ein Elektromagnet ist so an der Tragstruktur festgelegt, dass zwischen dem Permanentmagneten und dem Elektromagneten ein umlaufender Ringspalt verbleibt. Durch Ansteuern des Elektromagneten ist die angetriebene Kupplungshälfte mit einer axial wirkenden Anpresskraft gegen die treibende Kupplungshälfte anpressbar. Erfindungsgemäß sind an einer der beiden Kupplungshälften zwei radial vorspringende Zapfen ausgebildet. Die andere der beiden Kupplungshälften hat über ihren Umfang verteilt zwei radial verlaufende Keilnuten mit jeweils mindestens einer schräg bezüglich einer Axialrichtung verlaufenden Flanke. Jeweils ein Zapfen der einen Kupplungshälfte greift derart in eine Keilnut der anderen Kupplungshälfte ein, dass bei Überschreiten eines Grenzmomentes, das von der Sicherheitskupplung übertragen wird und von der von dem Elektromagneten erzeugten Anpresskraft abhängt, die angetriebene Kupplungshälfte in axialer Richtung ausweicht und dadurch die Breite des Ringspaltes verkleinert wird.
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Die Sperrkörper der erfindungsgemäßen Sicherheitskupplung werden somit durch fest mit einer Kupplungshälfte verbundene und radial vorspringende Zapfen gebildet, die sich leicht herstellen lassen und nicht aus der Sicherheitskupplung herausfallen können. Die eingangs genannte Aufgabe wird dadurch vollständig gelöst.
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Vorzugsweise ist der Ringspalt so dimensioniert, dass bei Überschreiten des Grenzmoments die Zapfen aus den Keilnuten heraustreten und die Sicherheitskupplung auf diese Weise geöffnet wird. Sinkt das Drehmoment danach wieder unter das Grenzmoment, rasten die Rollen wieder in die Keilnuten ein, wodurch die Sicherheitskupplung geschlossen wird.
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Die Sicherheitskupplung kann einen Sensor aufweisen, der dazu eingerichtet ist, ein von der Breite des Ringspalts abhängendes Sensorsignal zu erzeugen. Dadurch ist es z.B. möglich, dass eine Steuereinrichtung einer Werkzeugmaschine die Antriebsleistung des Antriebs in Abhängigkeit von dem Sensorsignal verringert, wenn der Sensor eine Verringerung der Ringspaltbreite und dadurch ein Überschreiten des Grenzmomentes erkennt. Gegebenenfalls können jedoch auch andere oder zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, um die Sicherheit zu gewährleisten. Anstelle die Breite des Ringspaltes zu messen, kann der Sensor auch direkt die axiale Ausweichbewegung der angetriebenen Kupplungshälfte erfassen. Ferner ist es alternativ hierzu möglich, die axiale Ausweichbewegung der angetriebenen Kupplungshälfte mechanisch an einen Schalter zu koppeln, der eine Notabschaltung des Antriebs vornimmt.
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Bei einem Ausführungsbeispiel tragen die Zapfen an ihrem radial nach außen weisenden Ende jeweils eine drehbar gelagerte Rolle oder eine Gleitwalze, die zumindest an einer der Flanken der jeweiligen Keilnut anliegt. Die Zapfen liegen dadurch nicht unmittelbar, sondern mittelbar über die Rollen oder Gleitwalzen an den Keilnuten an. Auf diese Weise wird die Reibung verringert, wenn die angetriebene Kupplungshälfte sich beim Überschreiten des Grenzmoments in axialer Richtung bewegt. Die Sicherheitskupplung kann daher schneller bei Überschreiten des eingestellten Grenzmoments auslösen.
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Vorzugsweise sind die Flanken der Keilnuten symmetrisch bezüglich der axialen Richtung angeordnet. Auf diese Weise wird die gleiche Wirkung unabhängig von der Drehrichtung der Antriebswelle erreicht. Falls nur eine Drehrichtung vorgesehen ist, kann beispielsweise eine Flanke der Keilnut bezüglich der Axialrichtung schräg und die andere parallel hierzu verlaufen.
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Vorzugsweise sind bei der einen Kupplungshälfte die Zapfen und bei der anderen Kupplungshälfte die Keilnuten jeweils gleichmäßig über den Umfang verteilt. Zwischen zwei Zapfen beträgt der Winkel dann 180°, bei drei Zapfen 120°, bei vier Zapfen 90° usw. Für die Keilnuten gilt dies natürlich entsprechend. Auf diese Weise wird eine besonders gleichmäßige Verteilung der Kräfte zur Übertragung des Drehmoments erreicht.
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Der Elektromagnet ist vorzugsweise zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet und hat einen Weicheisenkern, der zum Permanentmagneten weist, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.
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Zur Erzeugung der Anpresskraft kann das vom Elektromagneten erzeugte Magnetfeld entgegen zu der vom Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld ausgerichtet sein. Dadurch wirken zwischen dem Elektromagneten und dem Permanentmagneten abstoßende Kräfte, welche die Anpressung der Kupplungshälften bewirken. Alternativ hierzu kann eine Druckfeder eine hohe Anpresskraft erzeugen, die von einem umgekehrt orientierten Elektromagneten verringert wird. Eine solche Anordnung hat allerdings den Nachteil, dass bei Ausfall des Elektromagneten das Grenzmoment allein durch die Druckfeder bestimmt und dadurch maximal groß wird.
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Die erfindungsgemäße Sicherheitskupplung ist nicht auf den Einsatz in Werkzeugmaschinen beschränkt. Sie kann auch in Förder- und Transportsystemen, Vorschubantrieben von Maschinenachsen, Hydrauliksystemen, Kühl- und Lüftungssystemen, Materialflusssystemen und Werkzeugwechsel-Systemen eingesetzt werden.
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Eine verstellbare Anpresskraft kann alternativ durch eine verstellbare Tellerfeder oder durch einen Hydraulikstempel erzeugt werden. Gegenstand der Erfindung ist deswegen auch eine Sicherheitskupplung mit einer treibenden Kupplungshälfte, die drehfest mit einer Antriebswelle verbindbar ist, und mit einer angetriebenen und relativ zu der treibenden Kupplungshälfte axial gelagerten Kupplungshälfte, die drehfest mit einer Abtriebswelle verbindbar ist. An einer der beiden Kupplungshälften sind zwei radial vorspringende Zapfen ausgebildet. Die andere der beiden Kupplungshälften hat über ihren Umfang verteilt zwei radial verlaufende Keilnuten mit jeweils mindestens einer schräg bezüglich einer Axialrichtung verlaufenden Flanke. Jeweils ein Zapfen der einen Kupplungshälfte greift derart in eine Keilnut der anderen Kupplungshälfte ein, dass bei Überschreiten eines Grenzmomentes, das von der Sicherheitskupplung übertragen wird, die angetriebene Kupplungshälfte in axialer Richtung ausweicht.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 einen axialen schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Sicherheitskupplung;
- 2 einen Querschnitt durch die in der 1 gezeigte Sicherheitskupplung entlang der Linie II-II.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die 1 und 2 zeigen in einem axialen schematischen Schnitt bzw. einen Querschnitt entlang der Linie II-II ein Ausführungsbeispiel für eine insgesamt mit 10 bezeichnete Sicherheitskupplung.
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Die Sicherheitskupplung 10 verbindet eine Antriebswelle 11 eines hier als Elektromotor ausgebildeten Antriebs 12 mit einer Abtriebswelle 14, die z.B. Teil einer nicht näher dargestellten Werkzeugmaschine sein ist. Bei der Werkzeugmaschine kann es sich beispielsweise um eine Dreh-, Fräs- oder Bohrmaschine handeln.
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Abtriebsseitig weist die Sicherheitskupplung 10 eine Tragstruktur 16 auf, in der die Abtriebswelle 14 drehbar, aber axial beweglich mit Hilfe eines Lagers 18 gelagert ist. An der Tragstruktur 16 ist ein Gehäuseflansch 20 befestigt, der einen Elektromagneten 22 mit einer Spule 24 und einem Weicheisenkern 26 umschließt. Die Spule 24 ist über schematisch angedeutete Anschlüsse 28a, 28b mit einer regelbaren Stromquelle 30 verbunden.
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Die Abtriebswelle 14 ist an ihrem zum Antrieb 12 weisenden Ende drehfest mit einer angetriebenen Kupplungshälfte 32 verbunden, die mit einer drehfest an der Antriebswelle 11 befestigten treibenden Kupplungshälfte 34 zusammenwirkt. Die treibende Kupplungshälfte 34 besteht im Wesentlichen aus einem ersten hülsenförmigen Abschnitt 36, in dem die Antriebswelle 11 aufgenommen und drehfest arretiert ist, und einen zweiten hülsenförmigen Abschnitt 38, der am besten im Querschnitt der 2 erkennbar ist. Die beiden hülsenförmigen Abschnitte 36, 38 sind über einen sich senkrecht zur Drehachse 40 erstreckenden Ringabschnitt miteinander verbunden.
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Wie weiter in der 2 erkennbar ist, sind an dem zweiten hülsenförmigen Abschnitt 38 drei Rollen 44 befestigt, deren Drehachsen 45 sich in unterschiedliche radiale Richtungen erstrecken. Die Rollen 44 sind über Kugellager 46 an Zapfen 48 befestigt, die sich durch radiale Bohrungen 50 in dem hülsenförmigen Abschnitt 38 erstrecken. Die Rollen 44 sind dabei gleichmäßig über den Umfang der treibenden Kupplungshälfte 34 verteilt und somit winkelmäßig um jeweils 120° voneinander getrennt. Die Befestigung der Zapfen 48 in den Bohrungen 50 erfolgt hier mit Hilfe einer Schraubverbindung. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Zapfen 48 als Schraubenbolzen ausgebildet, wodurch das Kugellager 46 mit Hilfe von Muttern 52 an der Außenwand des hülsenförmigen Abschnitts 38 befestigt werden kann.
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Die angetriebene Kupplungshälfte 32 hat insgesamt eine ähnliche Gestalt wie die treibende Kupplungshälfte 34 und besteht somit ebenfalls aus einem ersten hülsenförmigen Abschnitt 52, dessen Innendurchmesser an den Durchmesser der Abtriebswelle 14 angepasst ist, und einen zweiten hülsenförmigen Abschnitt 54, dessen Innendurchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des zweiten hülsenförmigen Abschnitts 38 der treibenden Kupplungshälfte 34. Wie in der 2 erkennbar ist, umschließt der zweite hülsenförmige Abschnitt 54 der angetriebenen Kupplungshälfte 32 damit den zweiten hülsenförmigen Abschnitt 38 der treibenden Kupplungshälfte 34 mit Spielpassung.
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Der zweite hülsenförmige Abschnitt 54 der angetriebenen Kupplungshälfte 32 weist drei Keilnuten 56 auf, deren Form am besten in der 1 erkennbar ist. Jede Keilnut 56 hat zwei symmetrisch zu einer Axialrichtung verlaufende Flanken 58a, 58b, auf denen die Rollen 44 der treibenden Kupplungshälfte 34 abrollen können. Die Flanken 58a, 58b sind so geformt, dass sie von den zylindrischen Rollen 44 stets entlang einer Linie und nicht nur punktförmig berührt werden, damit die zu übertragenden Kräfte sich über eine möglichst große Fläche verteilen.
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Benachbart zur angetriebenen Kupplungshälfte 32 ist auf der Abtriebswelle 14 (oder direkt an der angetriebenen Kupplungshälfte 32) ein ringförmiger Permanentmagnet 60 befestigt, und zwar derart, dass zwischen dem Permanentmagneten 60 und dem Elektromagneten 22 ein mit Luft oder einem anderen Gasgemisch gefüllter Ringspalt 62 verbleibt. Die in axialer Richtung gemessene Breite des Ringspalts kann von einem Sensor 64 gemessen werden, dessen Sensorsignale an eine Steuerung 66 der Werkzeugmaschine übermittelt werden. In der Realität ist der Ringspalt 62 breiter als in der 1 dargestellt, um ein Öffnen der Kupplung zu ermöglichen.
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Die Sicherheitskupplung 10 funktioniert wir folgt:
- Bevor der Antrieb 12 eingeschaltet wird, erzeugt der Elektromagnet 22 eine magnetische Kraft, die den Permanentmagneten 60 und damit die angetriebene Kupplungshälfte 32 gegen die treibende Kupplungshälfte 34 presst. Dadurch kommen die zylindrischen Außenflächen der Rollen 44 in Anlage mit den Flanken 58a, 58b der Keilnuten 56, die an der angetriebenen Kupplungshälfte 32 ausgebildet sind. Wenn der Antrieb 12 die Antriebswelle 11 in Drehung versetzt, übertragen die Rollen 44 der treibenden Kupplungshälfte 34 das anliegende Drehmoment je nach Drehrichtung auf eine der Flanken 58a, 58b der angetriebenen Kupplungshälfte. In Folge der vom Elektromagneten erzeugten Anpresskraft kann die angetriebene Kupplungshälfte 32 dem von den Rollen 44 übertragenen Drehmoment nicht in axialer Richtung ausweichen. Dadurch bleibt die Kupplung geschlossen, und das vom Antrieb 12 erzeugte Drehmoment wird praktisch verlustfrei auf die Antriebswelle 14 übertragen.
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Diese Übertragung findet jedoch nur so lange statt, wie das zwischen den Wellen 11, 14 wirkende Drehmoment ein Grenzmoment nicht überschreitet. Dazu kann es beispielsweise kommen, wenn sich ein von der Abtriebswelle 14 angetriebenes Werkzeug bei der Bearbeitung an einem Werkstück verklemmt. In diesem Fall ist die an den geneigten Flanken 58a oder 58b der angetriebenen Kupplungshälfte 32 anliegende axiale Kraftkomponente größer als die entgegengesetzt wirkende Anpresskraft, die vom Elektromagneten 22 erzeugt wird. Die angetriebene Kupplungshälfte 32 weicht dann in axialer Richtung aus und wandert gemeinsam mit dem Permanentmagneten 60 und der Abtriebswelle 14 weg vom Antrieb 12. Dadurch verringert sich die Breite des Ringspalts 62, was vom Sensor 64 erkannt wird. Die Steuerungseinrichtung der Werkzeugmaschine erhält vom Sensor 64 ein entsprechendes Sensorsignal und kann dann Maßnahmen veranlassen, um die Sicherheit zu gewährleisten, z.B. eine Abschaltung des Antriebs 12. Während der axialen Ausweichbewegung rollen die Rollen 44 auf den Flanken 58a oder 58b reibungsarm ab, so dass keine Verzögerung der axialen Ausweichbewegung durch Reibungskräfte auftritt.
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Die in der 1 dargestellte Sicherheitskupplung 10 ist so ausgelegt, dass am Ende dieser Ausweichbewegung die Rollen 44 die Keilnuten 56 verlassen. Die Kupplung wird somit bei Überschreiten des Grenzmoments gelöst. Der Sensor 64 dient als Detektor, der ein Überschreiten des Grenzmoments über die Verringerung der Ringspaltbreite anzeigt. Wird das Grenzmoment unterschritten, etwas infolge einer Verringerung des Antriebsmoments oder weil sich das Werkzeug auf dem Werkstück gelöst hat, können die Rollen 44 wieder in die Keilnuten 56 eintauchen, wodurch die Sicherheitskupplung geschlossen wird.
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Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel ist die angetriebene Kupplungshälfte
32 nicht direkt, sondern über einen Flach-, Keil- oder Zahnriemen oder ein anderes Zugmittel- oder Reibgetriebe mit der Abtriebswelle verbunden, wie dies aus der eingangs erwähnte
UA 2004 020859 bekannt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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