DE10311917B4

DE10311917B4 - Kupplung zur reibschlüssigen Drehverbindung von Maschinenteilen

Info

Publication number: DE10311917B4
Application number: DE2003111917
Authority: DE
Original assignee: Centa Antriebe Kirschey GmbH
Current assignee: Centa Antriebe Kirschey GmbH
Priority date: 2003-03-17
Filing date: 2003-03-17
Publication date: 2005-12-15
Anticipated expiration: 2023-03-18
Also published as: DE10311917A1

Abstract

Kupplung (10) zur reibschlüssigen Drehverbindung von Maschinenteilen (12, 23) aus Metall, wie z.B. einer Nabe (23) und einer Welle (12), bei welcher mittels einer durch Spannmittel (18) erzeugten Spannkraft mindestens eine kreiszylindrische Innenmantelfläche (16) mindestens eines ersten Maschinenteils (23) radial von außen gegen mindestens eine kreiszylindrische Außenmantelfläche (11) mindestens eines zweiten Maschinenteils (12) gepresst wird, um einen Reibschluss zwischen dem ersten Maschinenteil (23) und dem zweiten Maschinenteil (12) zu erzeugen, wobei zwischen der kreiszylindrischen Außenmantelfläche (11) des zweiten Maschinenteils (12) und der kreiszylindrischen Innenmantelfläche (16) des ersten Maschinenteils (23) eine kreiszylindrische Gleithülse (13) angeordnet ist, und wobei drehmomentbegrenzende Mittel gewährleisten, dass bei Überschreiten des durch die Spannkraft der Spannmittel (18) vorgegebenen Drehmoments eine Relativdrehung nur zwischen dem ersten Maschinenteil (23) und der Gleithülse (13), nicht aber zwischen Gleithülse (13) und dem zweiten Maschinenteil (12) stattfinden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleithülse (13) Mittel (27; 30) zugeordnet sind, welche zwischen der...

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplung zur reibschlüssigen Drehverbindung von Maschinenteilen aus Metall, wie z.B. einer Nabe und einer Welle, entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine solche Kupplung ist beispielsweise aus DE 41 18 941 C2 bekannt. Bei der in diesem Dokument offenbarten Kupplung bestehen die Mittel, die dazu vorgesehen sind, dass bei Überschreiten des durch die Spannkraft der Spannmittel vorgegebenen Drehmoments eine Relativdrehung nur zwischen dem ersten Maschinenteil und der Gleithülse, nicht aber zwischen Gleithülse und dem zweiten Maschinenteil stattfinden kann, darin, den Reibwert Nabe/Buchse kleiner zu bemessen, als den Reibwert Buchse/ Welle.

Dazu sieht DE 41 18 941 C2 vor, in Abhängigkeit von den Werkstoffen der Welle und der Buchse die Oberfläche der Aufnahmebohrung und/oder die Außenfläche der Buchse mit einer haftreibungsmindernden Phosphat- oder Cadmiumschicht zu versehen. Damit ist die Lehre offenbart, die Reibung zwischen Nabe und Buchse aktiv, d.h. durch Ver- und Anwendung spezieller Mittel (Phosphortieren oder Cadmieren) zu verringern.

Ausgehend von dieser bekannten Kupplung liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die angesprochene Problemlösung mit gänzlich anderen, vorteilbehafteten Maßnahmen und Merkmalen zu erzielen.

Diese Aufgabe wird entsprechend der Gesamtheit aller Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Demzufolge ist die vorliegende Erfindung gemäß dem eine erste Ausführungsform charakterisierenden Kennzeichenteil des Anspruches 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Gleithülse Mittel zugeordnet sind, welche zwischen der kreiszylindrischen Innenmantelfläche der Gleithülse und der kreiszylindrischen Außenmantelfläche des zweiten Maschinenteils eine größere Haftreibung zur Verfügung stellen als zwischen der kreiszylindrischen Außenmantelfläche der Gleithülse und der kreiszylindrischen Innenmantelfläche des ersten Maschinenteils, indem die kreis zylindrische Innenmantelfläche der Gleithülse mit einer reibungserhöhenden Schicht versehen ist.

Die erfindungsgemäße Lehre besteht somit gegenüber DE 41 18 941 C2 darin, die Reibung zwischen der Gleithülse und der Nabe aktiv, d.h. durch Ver- und Anwendung von konkreten Mitteln, zu erhöhen. Damit bereichert die Erfindung die Technik durch einen Lösungsweg, welcher der von DE 41 18 941 C2 vermittelten Lehre konträr ist.

Die Erfindung erreicht mit relativ einfacheren Mitteln einen wesentlich höheren Wirkungsgrad der Drehmomentbegrenzung als dies die Vorrichtung nach DE 41 18 941 C2 zu leisten imstande ist. Die Wirkung durch Erhöhung des Reibwertes entsprechend der Erfindung ist um den Faktor 2 bis 3 größer als die Wirkung der bekannten Verringerung des Reibwertes.

Die reibungserhöhende Schicht, mit welcher der Haftreibungsbeiwert um bis zu 300 % gesteigert werden kann, besteht z.B. aus Chemisch-Nickel mit eingelagerten Diamantpartikeln. Das Auftragen dieser reibungserhöhenden Schicht aus Chemisch-Nickel mit eingelagerten Diamantpartikeln ist einfacher durchzuführen als Cadmieren oder Phosphatieren von Oberflächen einer Stahlbuchse.

Zudem erlaubt die Erfindung die Verwendung einer Gleithülse aus Bronze, was bei der Vorrichtung nach DE 41 18 941 C2 aufgrund der Maßnahmen des Phosphatierens bzw. Cadmierens nicht möglich ist. Damit aber erzielt die vorliegende Erfindung einen weiteren Vorteil, nämlich den, dass die Gleithülse mit ihrer kreiszylindrischen Fläche, die nicht reibungserhöhend gestaltet ist, besser gleiten kann als eine Stahlbuchse.

Mit der Erfindung ist somit eine vergleichsweise einfache und sehr wirksame Möglichkeit einer Drehmomentbegrenzung zwischen den reibschlüssig miteinander drehverbundenen Maschinenteilen geschaffen worden. Als Beispiel mag die reibschlüssige Drehverbindung zwischen einem Antrieb und einer Generatorwelle dienen. Falls z.B. durch einen Windkraftantrieb bei Auftreten einer Windbö eine Drehmomentspitze eingeleitet und dabei der eingestellte Grenzwert überschritten wird, entsteht zwischen der kreiszylindrischen Innenmantelfläche der Nabe (erstes Maschinenteil) und der kreiszylindrischen Außenmantelfläche der Gleithülse ein in dem vorliegenden Anwendungsbeispiel kurzzeitiger Schlupf, während die eine größere Haftreibung zur Verfügung stellenden Mittel dafür sorgen, dass zwischen der kreiszylindrischen Innenmantelfläche der Gleithülse und der kreiszylindrischen Außenmantelfläche der Generatorwelle (zweites Maschinenteil) eine schlupffreie starre Drehverbindung aufrechterhalten, ein Durchrutschen also verhindert wird.

Falls nämlich zwischen der Generatorwelle und der Nabe ein Durchrutschen aufträte, könnte dies zu einer Beschädigung der Generatorwelle führen. Der Drehmoment-Grenzwert ist im übrigen durch Variation der Spannmittel-Zustellung einstellbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann darin bestehen, dass das erste Maschinenteil einen Druckring bildet, welcher mindestens eine Außenkonusfläche aufweist und welcher jeweils die kreiszylindrische Außenmantelfläche der Gleithülse mit seiner kreiszylindrischen Innenmantelfläche koaxial umgreift, wobei die Außenkonusfläche des Druckringes jeweils von einer Innenkonusfläche eines außen angeordneten Spannringes satt überlagert ist, der mit seiner Innenkonusfläche über Spannmittel gegen die ansteigende Außenkonusfläche des Druckringes axial verschieb- und arretierbar ist. Die Spannmittel sind zweckmäßig Druck- und Spannring axial gegeneinander verspannende Spannschrauben.

Die andere Maßnahme der Erfindung, die Haftreibung zwischen der kreiszylindrischen Innenmantelfläche der Gleithülse und der kreiszylindrischen Außenmantelfläche des Maschinenteils zu vergrößern, geschieht durch eine gesonderte partiell einzustellende zusätzliche Spannkraft, welche einen zusätzlichen Reibschluss zwischen Gleithülse und zweitem Maschinenteil (z.B. Welle) bewirkt. Durch diese zusätzliche Spannkraft wird sichergestellt, dass die Gleithülse, z.B. bei antriebsseitiger Drehmomentüberschreitung, schlupffrei auf dem zweiten kreiszylindrischen Maschinenteil (z.B. Welle) sitzt, während, davon unabhängig, dem ersten Maschinenteil (z.B. Nabe) eine Schlupfdrehung außen auf der Gleithülse gestattet ist.

Eine Schlupfdrehung zwischen der kreiszylindrischen Innenmantelfläche des ersten Maschinenteils (z.B. Nabe) und der kreiszylindrischen Außenmantelfläche der Gleithülse wird dadurch verbessert, dass die kreiszylindrische Innenmantelfläche des ersten Maschinenteils und/oder die kreiszylindrische Außenmantelfläche der Gleithülse verbesserte Gleiteigenschaften aufweisen, insbesondere mit einer Gleitschicht versehen sind.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind zusätzlichen Unteransprüchen zu entnehmen.

In den Zeichnungen sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, es zeigen
1 einen hälftigen axialen Längsschnitt durch eine Kupplung zur reibschlüssigen Drehverbindung von Maschinenteilen entsprechend einer ersten Ausführungsform und
2 in Anlehnung an die Darstellungsweise gemäß 1 eine zweite Ausführungsform.
In den Zeichnungen sind einander funktionell analoge, jedoch unterschiedlich ausgestaltete Bauteile mit denselben Bezeichnungen versehen.
Eine Kupplung zur reibschlüssigen Drehverbindung von Maschinenteilen aus Metall ist insgesamt mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Ein zweites kreiszylindrisches Maschinenteil mit einer kreiszylindrischen Außenmantelfläche 11 ist von einer Antriebswelle 12 eines nicht gezeigten Generators gebildet. Koaxial auf der Antriebswelle 12 ist eine kreiszylindrische Gleithülse 13 aus Lagermetall, wie z.B. aus Lagerbronze, angeordnet. Die Gleithülse 13 weist eine kreiszylindrische Innenmantelfläche 14 und eine kreiszylindrische Außenmantelfläche 15 auf.
Die kreiszylindrische Außenmantelfläche 15 der Gleithülse 13 ist von der kreiszylindrischen Innenmantelfläche 16 eines ersten Maschinenteils in Gestalt eines eine Nabe bildenden Druckringes 23 koaxial umgeben, an dessen einer Stirnseite ein Flansch 19 einstückig angeschlossen ist. Der Flansch 19 weist Durchgangsbohrungen 17 auf, welche von Außengewindebereichen 20 von auf einem Teilkreis koaxial zur Längsmittelachse x der Antriebswelle 12 angeordneten Spannschrauben 18 durchsetzt sind. Die Spannschrauben 18 sind mit Gewindebohrungen 21 eines Antriebsrades 22 eines nicht gezeigten Antriebsaggregats verschraubt.
Der Druckring 23, welcher die Nabe der Kupplung 10 darstellt, weist eine Außenkonusfläche 24 auf, an welcher die gleichsinnig geneigte Innenkonusfläche 25 eines Spannringes 26 satt anliegt. Der Spannring 26 weist mit den Durchgangsbohrungen 17 ausgerichtete Durchgangsbohrungen 28 zur Aufnahme der Spannschrauben 18 auf.
Mittels der Spannschrauben 18 ist der Spannring 26 mit seiner Innenkonusfläche 25 gegen die ansteigende Außenkonusfläche 24 des Druckringes 23 durch Zugrundeschrauben der Spannschrauben 18 axial verschieb- und arretierbar. Die Bauteile 23, 26 und 18 bilden einen Spannsatz 40.
1 zeigt die Kupplung 10 im verspannten Zustand. Im unverspannten Zustand ist die relativ dünnwandige Gleithülse 13 sowohl gegenüber der kreiszylindrischen Außenmantelfläche 11 der Antriebswelle 12 als auch gegenüber der kreiszylindrischen Innenmantelfläche 16 des Druckringes 23 mit Gleitpassung angeordnet.
Durch Zustellung der Spannschrauben 18 und durch das damit einhergehende Aneinanderpressen der Konusflächen 25 und 24 drückt die kreiszylindrische Innenmantelfläche 16 des Druckringes 23 allseitig radial gegen die kreiszylindrische Außenmantelfläche 15 der Gleithülse 13, presst diese also mit ihrer Innenmantelfläche 14 fest gegen die kreiszylindrische Außenmantelfläche 11 der Antriebswelle 12. Auf diese Weise entsteht eine starre reibschlüssige Drehverbindung im Kraftfluss zwischen dem Antriebsrad 22 und der Antriebswelle 12.
Die kreiszylindrische Innenmantelfläche 14 der Gleithülse 13 ist mit einer reibungserhöhenden Schicht versehen, welche aus Chemisch-Nickel mit eingelagerten Diamantpartikeln besteht.
Die Außenmantelfläche 15 der Gleithülse 13 ist glatt, während die Innenmantelfläche 16 des aus Stahl bestehenden Druckringes 23 von einer Nitrierschicht gebildet ist, welche eine besonders glatte, die Gleiteigenschaften verbessernde Oberfläche bildet.
Die Funktion der Kupplung 10 gemäß 1 ist folgende:
Sobald ein über das Antriebsrad 22 eingeleitetes Drehmoment einen mittels der Spannschrauben 18 eingestellten Grenzwert überschreitet, entsteht zwischen der glatten Außenmantelfläche 15 der Gleithülse 13 und der glatten Innenmantelfläche 16 des Druckringes 23 ein Drehschlupf, während die erhöhte Haftreibung zwischen der Schicht 27 und der Außenmantelfläche 11 der Welle 12 jeglichen Drehschlupf, d.h. ein schädliches Durchrutschen, verhindert.
Die Ausführungsform gemäß 2 ist im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 1 unterschiedlich ausgestaltet, gestattet jedoch dieselbe vorteilhafte Funktionsweise.
Bei der Gleithülse 13 gemäß 2 fehlt die reibungserhöhende Schicht 27, jedoch könnte diese bei besonderen Anwendungsfällen gleichwohl zusätzlich vorhanden sein.
Indessen weist die Gleithülse 13 gemäß 2 eine axiale Verlängerung 29 auf, die einen gesonderten Spannsatz 30 aufnehmen kann. Die axiale Verlängerung 29 ist von der kreiszylindrischen Innenmantelfläche 31 eines gesonderten Druckringes 32 koaxial umgriffen, dessen Außenkonusfläche 33 von einer Innenkonusfläche 34 eines außen angeordneten gesonderten Spannringes 35 satt überlagert ist. Der Druckring 32 weist einen Flansch 36 auf, mit dessen Gewindebohrungen 37 die Außengewindebereiche 38 von gesonderten Spannschrauben 39 verschraubt sind.
Der gesonderte Spannsatz 30 erzeugt zusätzliche Spannkräfte, welche die Reibkraft zwischen der Innenmantelfläche 14 der Gleithülse 13 und der Außenmantelfläche 11 der Welle 12 erhöhen. Auf die Gleithülse 13 wirkt demnach die Summe beider Spannkräfte der Spannsätze 40 und 30. Zwischen den Mantelflächen 15 und 16 wirkt demnach nur die vom Spannsatz 40 erzeugte geringere Spannkraft, so dass an dieser Stelle ein Drehschlupf hervorgerufen werden kann.
Wenn demnach beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 ein mittels der Spannschrauben 18 eingestellter Grenzwert von einem über das Antriebsrad 22 eingeleiteten Drehmoment überschritten wird, entsteht ein Drehschlupf zwischen dem Druckring 23 und der Gleithülse 13, während letztere durch die Summe der von den Spannsätzen 30, 40 erzeugten Spannkräfte schlupffrei auf der Außenmantelfläche 11 der Welle 12 festgehalten wird.

Claims

Kupplung (10) zur reibschlüssigen Drehverbindung von Maschinenteilen (12, 23) aus Metall, wie z.B. einer Nabe (23) und einer Welle (12), bei welcher mittels einer durch Spannmittel (18) erzeugten Spannkraft mindestens eine kreiszylindrische Innenmantelfläche (16) mindestens eines ersten Maschinenteils (23) radial von außen gegen mindestens eine kreiszylindrische Außenmantelfläche (11) mindestens eines zweiten Maschinenteils (12) gepresst wird, um einen Reibschluss zwischen dem ersten Maschinenteil (23) und dem zweiten Maschinenteil (12) zu erzeugen, wobei zwischen der kreiszylindrischen Außenmantelfläche (11) des zweiten Maschinenteils (12) und der kreiszylindrischen Innenmantelfläche (16) des ersten Maschinenteils (23) eine kreiszylindrische Gleithülse (13) angeordnet ist, und wobei drehmomentbegrenzende Mittel gewährleisten, dass bei Überschreiten des durch die Spannkraft der Spannmittel (18) vorgegebenen Drehmoments eine Relativdrehung nur zwischen dem ersten Maschinenteil (23) und der Gleithülse (13), nicht aber zwischen Gleithülse (13) und dem zweiten Maschinenteil (12) stattfinden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleithülse (13) Mittel (27; 30) zugeordnet sind, welche zwischen der kreiszylindrischen Innenmantelfläche (14) der Gleithülse (13) und der kreiszylindrischen Außenmantelfläche (11) des zweiten Maschinenteils (12) eine größere Haftreibung zur Verfügung stellen als zwischen der kreiszylindrischen Außenmantelfläche (15) der Gleithülse (13) und der kreiszylindrischen Innenmantelfläche (16) des ersten Maschinenteils (23), indem die kreiszylindrische Innenmantelfläche (14) der Gleithülse (13) mit einer reibungserhöhenden Schicht (27) versehen ist.
Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungserhöhende Schicht (27) aus Chemisch-Nickel mit eingelagerten Diamantpartikeln besteht.
Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Maschinenteil einen Druckring (23) bildet, welcher mindestens eine Außenkonusfläche (24) aufweist und welcher jeweils die kreiszylindrische Außenmantelfläche (15) der Gleithülse (13) mit seiner kreiszylindrischen Innenmantelfläche (16) koaxial umgreift, wobei die Außenkonusfläche (24) des Druckringes (23) jeweils von einer Innenkonusfläche (25) eines außen angeordneten Spannringes (26) satt überlagert ist, der mit seiner Innenkonusfläche (25) über die Spannmittel (18) gegen die ansteigende Außenkonusfläche (24) des Druckringes (23) axial verschieb- und arretierbar ist.
Kupplung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleithülse (13) eine axiale Verlängerung (29) aufweist, welche mittels einer zusätzlichen Spannkraft radial von außen gegen die kreiszylindrische Außenmantelfläche (11) des zweiten Maschinenteils (12) gepresst wird, um einen zusätzlichen Reibschluss zwischen der Gleithülse (13) und dem zweiten Maschinenteil (12) zu erzeugen.
Kupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verlängerung (29) von einer kreiszylindrischen Innenmantelfläche (31) eines gesonderten Druckringes (32) koaxial umgriffen ist, dessen Außenkonusfläche (33) von einer Innenkonusfläche (34) eines außen angeordneten gesonderten Spannringes (35) satt überlagert ist, der über Spannmittel (39) gegen die ansteigende Außenkonusfläche (33) des gesonderten Druckringes (32) axial verschieb- und arretierbar ist.
Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die kreiszylindrische Innenmantelfläche (16) des ersten Maschinenteils (23) und/oder die kreiszylindrische Außenmantelfläche (15) der Gleithülse (13) verbesserte Gleiteigenschaften aufweisen, insbesondere mit einer Gleitschicht versehen sind.
Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleithülse (13) aus Bronze, insbesondere aus Lagerbronze, besteht.
Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleithülse (13) aus Stahl besteht, deren kreiszylindrische Außenmantelfläche (15) von einer Nitrierschicht gebildet ist.
Kupplung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die kreiszylindrische Innenmantelfläche (16) des aus Stahl bestehenden Druckringes (23) von einer Nitrierschicht gebildet ist.
Kupplung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Druckring (23) und/oder gesonderter Druckring (32) jeweils eine Nabe bilden, an deren einer Stirnseite jeweils ein Flansch (19, 36) einstückig angeschlossen ist.