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Pulverfliehkraftkupplung Die-Erfindung betrifft Fliehkraftkupplungen
derjenigen Art, bei welcher die Kraftübertragung zwischen antreibendem und angetriebenem
Kupplungsteil mit Hilfe eines Metallpulvers bzw. einer ähnlichen pulverförmigen
bzw. körnigen Masse erfolgt, die aus festen Teilchen besteht. in ihrer Gesamtheit
jedoch keine bleibende Gestalt besitzt. In der nachfolgenden Beschreibung sowie
in den Ansprüchen soll daher unter dem Ausdruck »Pulver« jede geeignete Masse dieser
Art verstanden werden.
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Es ist bekannt, bei Pulverfliehkraftkupplungen, die aus einem mit
der einen Welle drehfest verbundenen und wenigstens zum Teil mit einem Pulver gefüllten
Gehäuse und einem in dem Gehäuse angeordneten, mit der anderen Welle drehfest verbundenen
scheibenförmigen Rotor besteht, die Rotorscheibe mit Ausnehmungen und Vorsprüngen
verschiedener Art zu versehen, um eine Durchmischung des Pulvers und eine ausreichende
Mitnahme zu erreichen und den bis zur Drehzahlgleichheit auftretenden Schlupf auf
ein geringes Maß herabzusetzen.
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Die Erfindung bezweckt in erster Linie, eine bessere Durchmischung
des genannten Pulvers sowie eine wirksamere Wärmeabfuhr währenddes Betriebes der
Kupplungen dieser Art zu erreichen und damit den Wirkungsgrad und die Leistungen
dieser Kupplungen zu erhöhen.
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Bekanntlich macht bei diesen Fliehkraftkupplungen die Abfuhr der durch
Reibung zwischen den verschiedenen gegeneinander bewegten Teilen (und somit auch
der Pulverkörnchen) erzeugten Wärme erhebliche Schwierigkeiten. Ein weiteres Problem
besteht darin, daß die antreibenden und angetriebenen Kupplungsteile bei jeder auftretenden
Veränderung des Verhältnisses zwischen dem Antriebsdrehmoment und dem Widerstandsmoment
gegeneinander gleiten (schlüpfen), wobei dieses Gleiten so lange anhält, bis die
Gleichgewichtsbedingungen wiederhergestellt sind, und dieses Gleiten zu einer Herabsetzung
des Wirkungsgrades der Kupplung zufolge der geringeren übertragenen Leistung führt.
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Auch die Abdichtung des Kupplungsgehäuses zur Verhinderung des Entweichens
des darin enthaltenen Pulvers läßt bei den bekannten Kupplungen dieser Art sehr
zu wünschen übrig, und das aus dem ihm zugedachten Raum austretende Pulver kann
gegebenenfalls eine Beschädigung der für die Verbindung der antreibenden mit den
angetriebenen Teilen vorgesehenen Wälzlager hervorrufen, wobei jedenfalls aber auch
eine weitere Wirkungsgradverringerung eintritt und ein Öffnen des Kupplungsgehäuses
zwecks Nachfüllen von Pulver erforderlich wird.
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Die Erfindung soll nun diese aufgezeigten Mängel beseitigen, ohne
dabei den Kupplungsaufbau zu komplizieren. Durch die Erfindung wird im Gegenteil
die Herstellung der Kupplungen vereinfacht. Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht,
daß der an sich bekannte in einem mit Pulver gefüllten Gehäuse angeordnete, mit
der anderen Welle drehfest verbundene scheibenförmige Rotor mit seiner Welle einen
von 90° abweichenden Winkel einschließt. Während der Relativdrehung dieses Rotors
werden zufolge der auf die Pulvermasse als Folge der Drehung des Kupplungsgehäuses
wirkenden Fliehkraft sowie der relativen Axialverschiebungen der genannten Wand,
hervorgerufen durch die Neigung der Wand, in der Pulvermasse selbst die gewünschten
Druckwirkungen erzeugt.
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Die seitliche Umfangsfläche weist, bei im wesentlichen kreisförmiger
Ausbildung der geneigten Wand, einen symmetrischen oder unsymmetrischen Winkelquerschnitt
auf. Der Scheitelwinkel dieses Querschnitts kann derart sein, daß die Winkelhalbierende
in der Mittelebene der Wand oder außerhalb derselben liegt; im ersten Fall ist das
Profil symmetrisch, während man im zweiten Fall ein unsymmetrisches Profil des Winkelquerschnitts
hat.
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Die Ebene, in welcher die unendlich vielen Scheitel der unendlich
vielen Winkelquerschnitte liegen, kann gegen die Mittelebene der Wand entsprechend
ver= schoben sein, und je nachdem, ob- die erstgenannte, in bezug auf die Drehachse
senkrechte Ebene in der einen oder in der anderen Richtung verschoben ist, kann
die von der seitlichen Umfangsfläche der Scheibe auf die Pulvermasse ausgeübte Wirkung
in bezug auf die von der zugehörigen kreisförmigen Hauptfläche ausgeübte Wirkung
verstärkt oder vermindert werden. Die Abdichtung der Kupplung wird durch eine Reihe
von
Federringen herbeigeführt, welche vorzugsweise konzentrisch
in axialen, gegenüberliegenden Nuten des Gehäuses und des Rotors liegen und mit
diesen Nuten frei zusammenwirken, so daß ein vollständiger Abschluß mit steigender
Wirkung des die Pulvermasse enthaltenden torusförmigen Raumes gegenüber den anderen
Kupplungsteilen, d. h. insbesondere gegenüber den Verbindungsstellen zwischen der
Antriebs-und der Abtriebswelle erreicht wird. Die genannten Federringe dehnen sich
während des Betriebes der Kupplung zufolge Fliehkraftwirkung aus.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung ergibt sich eine besonders einfache
Form des Rotors, die sich leichter herstellen läßt als die bekannten Formen, die
mit Ausnehmungen und Vorsprüngen versehen sind. Außerdem ist die gemäß der Erfindung
glatte Rotorscheibe wenig empfindlich gegen Abnutzung. Trotzdem wird das Kupplungspulver
durch die erfindungsgemäße Anordnung besonders in den Zonen durcheinandergemischt,
die der Erwärmung am meisten ausgesetzt sind, nämlich an den Seitenflächen des Rotors.
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Die Erfindung wird an Hand der beispielsweisen Zeichnungen näher beschrieben,
wobei Fig. 1 ein Längsschnitt durch eine besondere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Kupplung ist, Fig. 2 die bei der Kupplung nach Fig. 1 verwendete, in bezug auf die
Drehachse geneigte Wand schematisch und in vergrößertem Maßstab zeigt, um die Wirkung
derselben auf die Pulvermasse besser zu verdeutlichen, und die Fig. 3 und 4 ähnliche
Ansichten wie Fig. 2 zweier anderer Ausführungsformen der geneigten Wand mit unsymmetrischer
seitlicher Umfangsfläche sind.
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Wie aus Fig. 1 hervorgeht, besteht die Kupplung A aus einem Gehäuse
B, welches durch die beiden fest miteinander verbundenen Gehäusehälften 10-12 gebildet
ist, die im wesentlichen symmetrisch ausgestaltet sind und die Form einer hohlen
Schale besitzen. Durch die Verbindung dieser beiden Gehäusehälften wird der Innenraum
14 für die Pulvermasse gebildet, welche im vorliegenden Fall (für welchen die erfindungsgemäßen
Verbesserungen besonders günstig sind) eine körnige Metallmasse ist. Zufolge der
in der Mitte vorgesehenen Verbindungsteile zwischen dem treibenden und angetriebenen
Teil der Kupplung A nimmt der Raum B die Form eines Torus an. Am Mittelteil 16 der
Gehäusehälfte 10 ist die Flanschhülse D derart befestigt, daß die eigentliche Hülse
18 in den zylindrischen Hohlraum, der durch den Kranz 20 der Gehäusehälfte 10 gebildet
wird, hineinragt. Die Hülse 18 weist einen Längseinschnitt 22 auf, der mit dem Keil
24 zusammenwirkt, welcher seinerseits mit einer Längsrille im Endabschnitt 26 der
Antriebswelle F im Eingriff steht. Auf diese Weise ist die Hülse 18 auf Drehung
starr mit dem Abschnitt 26 der Welle F über den Keil 24 verbunden. Mit dem Mittelteil
28 der Gehäusehälfte 12, welcher dem Teil 16 der Gehäusehälfte 10 gegenüberliegt,
ist die Platte 30 verbunden, durch deren mittige Ausnehmung 32 der Abschnitt 34
der angetriebenen Welle G hindurchgeführt ist. Diese Welle G kann auf beliebige
Weise mit irgendeiner Arbeitsmaschine od. dgl. verbunden sein. Der Abschnitt 34
der Welle G ist auch durch den der Gehäusehälfte 12 angehörigen Kranz 36 hindurchgeführt,
und im Endabschnitt 38 der angetriebenen Welle ist der Hohlraum 40 vorgesehen, in
den die Hülse 18 hineinragt.
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In der Mitte der senkrechten Mittelebene der Kupplung A (welche praktisch
mit der Verbindungsebene der beiden Gehäusehälften und mit der Rotationsebene Y-Y
zusammenfällt) ist an der angetriebenen Welle eine Nabe H vorgesehen, welche direkt
in einem Stück in den Rotor R übergeht. Der Rotor besteht aus einer im wesentlichen
kreisrunden Scheibe, deren Mittelebene M in bezug auf die Drehachse X-X entsprechend
geneigt ist und mit der Hauptrotationsebene Y-Y einen Winkel a einschließt. Dieser
Winkel ist offensichtlich positiv unter Bezugnahme auf die obere Zone der Kupplung
und negativ unter Bezugnahme auf die untere Zone.
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Die geneigte Wand R weist die beiden gegenüberliegenden kreisförmigen
Hauptflächen 42, 44 und eine seitliche Umfangsfläche 46 auf, welche offensichtlich
einen kreisförmigen Verlauf besitzt und deren Querschnitt 48 einen Winkel aufweist
und im vorliegenden Fall zur Mittelebene M der geneigten Wand R symmetrisch ist.
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In den gegenüberliegenden Abschnitten 50, 52 bzw. 54, 56 des Kranzes
20 und Nabe H bzw. der Nabe H
und des Gegenkranzes 36 sind Rillen N
ausgenommen, die, nachdem die Kupplung A zusammengesetzt wurde, einander genau gegenüberliegen
und ringförmigen Verlauf besitzen. In jede dieser Rillen N wird ein Federring P
eingesetzt, wobei im vorliegenden Fall zu beiden Seiten der Nabe H je drei solche
Ringe vorgesehen sind. Auf diese Weise wird eine perfekte Abdichtung der Toruskammer
B gegen etwaigen Austritt des Pulvers C erreicht.
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Ferner sind an der Kupplung Kugellager Q und S vorgesehen, welche
an der angetriebenen Welle G und in Sitzen zwischen dem Kranz 20 und dem Gegenkranz
36 einerseits und der Hülse D und der Platte 30 andererseits angeordnet sind. Diese
Wälzlager Q und S können Trag- oder Spurlager sein.
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Es versteht sich, daß die angetriebenen Teile, im vorliegenden Fall
die Welle G, die Wand R und zugehörigen Elemente, im Fall des Fehlens des pulverförmigen
Übertragungsmittels in bezug auf die antreibenden Teile (Welle F, Hülse D, Gehäusehälften
10, 12) und auf die zugehörigen Elemente frei drehbar wären.
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Die Wirkungsweise der beschriebenen Kupplung A geht aus den nachfolgenden
Betrachtungen klar hervor. Innerhalb der Metallpulvermasse C ist die geneigte Wand
R teilweise eingebettet, und zwar durch eine ringförmige Umfangszone, welche sich
ausgehend vom Scheitel der Winkelfläche 46 in Abhängigkeit vom Füllungsgrad des
Raumes B sowie von der Drehgeschwindigkeit über einen gewissen Abschnitt erstreckt.
Wenn die Antriebswelle mit ihren Teilen ihre Drehung um die `Achse X-X beginnt,
dann wirkt auf die Pulvermasse die Fliehkraft ein, so daß die Masse an die Innenwandung
des Gehäuses und an die Oberfläche 42, 44, 46 der Scheibe R angepreßt wird.
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Die Fliehkraftwirkung erhöht sich bei zunehmender Drehzahl des Gehäuses
B und besitzt ein annähernd parabolisches grafisches Schaubild. Zufolge der Neigung
a der Scheibe R gegen die auf die Achse X-X normale, senkrechte Rotationsebene
Y-Y erzeugt die Bewegung der Flächen 42 bis 44 abwechselnd entgegengesetzt gleich
große Drücke in axialer Richtung auf das im Gehäuse B enthaltene und durch die Fliehkraftwirkung
gegen den Gehäuseumfang gepreßte Pulver C.
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Diese abwechselnden Axialdrücke auf die Pulvermasse C verursachen
einen Widerstand derselben. der um so größer ist, je größer die Wirkung der Fliehkraft
ist, welche der durch die Wirkung der Flächen der geneigten Scheibe R hervorgerufenen
Axialverschiebung der Pulvermasse entgegenwirkt. Man erreicht
somit
eine andauernde Verschiebung der Pulvermasse C im Kreis herum, wobei sowohl Radialkomponenten
in bezug auf die Drehachse der Kupplung als auch eine Axialkomponente längs dieser
Achse und eine Tangentialkomponente auftreten und die Resultierende dieser Kräfte
eine Verschiebung der Metallpulverteilchen und somit deren Durchmischung hervorruft.
Insbesondere der mechanisch durch die Drehung der Scheibe R hervorgerufene Axialdruck
und der durch die Fliehkraft verursachte Radialdruck wechseln ständig unter der
Form von pulsierenden Drücken ab, wobei jedesmal eine entsprechende Verschiebung
der Pulvermasse eintritt und dieselbe somit nach und nach ständig durchmischt wird.
Es ergibt sich auf diese Weise ein andauernder Wärmeaustausch zwischen den Pulverschichten,
die in gleitender Berührung mit den Flächen der Scheibe R und des Gehäuses B stehen,
und den unmittelbar benachbarten Schichten, welche bei jeder pulsierenden Druckwirkung
an die Stelle der ersteren treten. Jede teilweise Verlagerung der Pulvermasse, hervorgerufen
durch die genannte pulsierende Druckwirkung, die in der sich mit dem Kupplungsgehäuse
mit einer einzigen Gesamtgeschwindigkeit umdrehenden Gesamtpulvermasse erzeugt wird,
verursacht eine periodische Reihe von Beschleunigungen und Verlangsamungen, durch
welche der der Scheibe R bei ihrer Umdrehung in der Pulvermasse entgegengesetzte
Widerstand erheblich erhöht wird. Es ergibt sich somit eine Erhöhung der Reaktionswirkung
der Scheibe dem Antriebsmoment gegenüber und folglich eine erhöhte Drehmomenten-Übertragung
vom Gehäuse B auf die Scheibe R und die Welle G.
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Die Pulvermasse nimmt in der linken und rechten Hälfte der Kammer
14 verschiedene Höhen 58 bzw. 60 ein, wie aus Fig. 1 deutlich ersichtlich ist. Der
Verlauf dieser kreisförmigen Niveaulinien ist in bezug auf die Drehachse X-X der
Kupplung exzentrisch, und die waagerechten, exzentrischen Achsen dieser Niveaulinien
drehen sich ihrerseits um die Achse X-X mit einer Geschwindigkeit, die gleich der
Differenz zwischen der Drehgeschwindigkeit des Gehäuses und jener des Rotors ist.
Diese Geschwindigkeitsdifferenz entspricht der Schlupfgeschwindigkeit der Kupplung
während der kennzeichnenden Anlaßphase der durch die Kupplung in Drehung versetzten
Maschine.
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Die Ursache dieses Unterschiedes zwischen den Niveaulinien 58, 60
ergibt sich aus der von der Scheibe R eingenommenen Winkellage. Die obere Zone 62
der Pulvermasse steht unter Druck, daher ist die Höhe der Pulverschicht größer,
während die Zone 64 nicht unter Druck steht und daher eine geringere Höhe aufweist.
Das Umgekehrte gilt für die Zonen 66 und 68. Die Höhenunterschiede wechseln jeweils
für die diametral gegenüberliegenden Pulvermassen ab und sind gleich und entgegengesetzt
sowie in gleicher Anzahl wie die Frequenz der Drücke, denen die Pulvermasse zufolge
der Drehung der Scheibe R ausgesetzt ist.
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In den Fig. 2 bis 4 sind verschiedene Formen der seitlichen Umfangsfläche
46, 46' bzw. 46" mit im wesentlichen kreisförmigem Verlauf der geneigten Wand dargestellt.
Die gezeigten Formen weisen im Querschnitt stets ein Winkelprofil auf, sie könnten
aber geradesogut flach, beispielsweise zylindrisch, kegelförmig oder anders geformt
sein.
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Während bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführung die Mittelebene
M der Scheibe R mit der die unendlich vielen Scheitel der unendlich vielen Winkelschnitte
enthaltenden Ebene zusammenfällt, fällt bei der Ausführungsform der Fig. 3 die Mittelebene
M' der Scheibe R' nicht mit der Ebene M1 der genannten Scheitel zusammen. Da die
Ebene Ml in bezug auf die Ebene M' um den Winkel ß im Sinne des Pfeiles Z nach vorn
geneigt ist, kommt dieser Neigungswinkel ß zu dem Neigungswinkel a der Scheibe R
hinzu und ruft eine verfrühte und verstärkte Wirkung der geneigten Umfangsfläche
47 gegenüber der Fläche 44' sowie der Umfangsfläche 49 gegenüber der Fläche 42'
hervor.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig.4 fällt die Mittelebene M" der Scheibe
R" ebenfalls nicht mit der Ebene M2 der Scheitel zusammen. Letztere Ebene M2 ist
jedoch in bezug auf die Ebene M" um den Winkel y im Sinne des Pfeiles Z" nach rückwärts
geneigt. Der Winkel y kommt vom Neigungswinkel a in Abzug, so daß die von der Umfangsfläche
51 ausgeübte Druckwirkung gegenüber jener der Fläche 44" sowie die von der Umfangsfläche
53 ausgeübte Druckwirkung gegenüber jener der Fläche 42" verspätet ist.
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Die Federringe P, welche zufolge der Fliehkraftwirkung gegen die Außenflächen
der Rillen -N gedrückt werden, dichten den engen Verbindungsweg zu den Lagern Q,
S und somit zu den Enden der ineinandergesteckten Wellen F, G vollkommen ab, so
daß diese Teile gänzlich isoliert sind und gleichzeitig ein Austritt des Pulvers
C aus dem Gehäuse B verhindert ist.
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Die geneigte Wand könnte auch auf der Nabe aufgesetzt sein; ferner
könnten Ausnehmungen vorgesehen sein, um die Durchmischung der Pulvermasse weiter
zu fördern.