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Elektromagnetisch betätigte Zahnkupplung Die Erfindung betrifft eine
elektromagnetisch betätigte Zahn- oder Klauenkupplung.
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Zahnkupplungen lassen sich besonders da gut verwenden, wo die Kupplung
im Verhältnis zu ihrer Größe und ihren Abmessungen ein großes Drehmoment übertragen
soll. In solchen Kupplungen weist die Antriebsseite ein treibendes Glied mit einer
zur Herabsetzung der Beanspruchung möglichst großen Zahl von eingreifenden Zähnen
auf. Die axiale Höhe der Zähne soll verhältnismäßig klein gewählt werden, so daß
ein augenblicklicher und kurzhubiger Eingriff zwischen den ineinandergreifenden
Teilen möglich ist. Die Kupplung kann beispielsweise bei Relativdrehzahlen bis zu
300 bis 500 U/min in Eingriff gebracht werden, wobei die Zeit zum Einkuppeln oder
zum Kuppeln zwischen der treibenden und der getriebenen Kupplungshälfte etwa 112o
Sekunde beträgt.
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Um eine hohe Lebensdauer der Kupplung zu erzielen, ist es wichtig,
daß sich die treibende und getriebene Hälfte der Kupplung augenblicklich trennen
und getrennt bleiben. Da, wie erwähnt, die Länge des Bewegungsweges der ausrückenden
Kupplungshälfte außerordentlich klein ist, um eine augenblickliche Trennung durchführen
zu können, kommt es oft vor, daß sich eine Hälfte zufällig um eine Strecke bewegt,
die ausreicht, um auch dann eine Berührung mit der anderen Hälfte zu verursachen,
wenn dies nicht erwünscht ist. Eine solche Berührung verursacht eine Vibration und
ein Rattern und beeinträchtigt sowohl das ruhige Arbeiten als auch die Lebensdauer
der Kupplung. Weiterhin kann es dann, wenn besondere Mittel, wie beispielsweise
Federn, zum Trennen der treibenden und getriebenen Kupplungshälfte und zum Getrennthalten
dieser Hälften vorgesehen sind, geschehen, daß die Federn selbst in Reibeingriff
mit der Kupplungshälfte kommen und ein unerwünschtes Bremsmoment hervorrufen. Dies
gilt auch für solche bekannten elektromagnetisch betätigten Zahnkupplungen, bei
denen die mit einem axialgerichteten Zahnkranz versehene Ankerscheibe des Elektromagnets
bei entregter Magnetspule mittels besonderer, im Magnetkörper geführter federbelasteter
Druckbolzen außer Eingriff mit einem entsprechenden Gegenzahnkranz am Magnetkörper
gedrückt wird. Ahle bekannten elektromagnetisch betätigten Zahnkupplungen, bei denen
die bewegliche Hälfte durch Federn außer Eingriff gehalten wird, haben den Nachteil,
daß infolge der Tatsache, daß die Federkraft beim Entspannen einer Feder abnimmt,
die bewegliche Kupplungshälfte durch Vibrationen und Stöße aus der Ruhestellung
heraus doch in Eingriff mit der anderen Kupplungshälfte kommen kann. Dies kann man
allenfalls dadurch vermeiden, daß man die Federn derart stark bemißt, daß ein solches
Ineingriffkommen unmöglich ist; diese Maßnahme hat aber wiederum den Nachteil, daß
eine starke Kraft vom Elektromagnet aufgebracht werden muß, um die Kupplungshälften
wieder in Eingriff miteinander zu bringen und im Eingriff zu halten, so daß der
Elektromagnet entsprechend groß und sperrig ausfällt und einen entsprechend hohen
Stromverbrauch hat.
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Aufgabe der Erfindung ist : eine derartige Ausgestaltung einer elektromagnetisch
betätigten Zahnkupplung, daß ein unbeabsichtigtes Ineingriffkommen der Kupplungshälften
mit Sicherheit vermiedem. wird, ohne daß hierzu eine besonders kräftige Ausbildung
der die Druckbolzen belastetenden Federn erforderlich ist.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Ankerscheibe
über die durch die federbelasteten Druckbolzen bedingte axiale Verschiebung hinaus
durch einen Permanentmagnet angezogen und außer Eingriff mit dem Magnetkörper gehalten
wird. Dieser Permanentmagnet wird zweckmäßig in einer mit einem getriebenen Bauteil,
z. B. einem Zahnrad, verbundenen Ringscheibe angeordnet, die formschlüssig über
einen radialen Zahnkranz in einen Gegenzahnkranz eines mit der Ankerscheibe fest
verbundenen Rings eingreift.
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Infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung der Zahnkupplung brauchen
die Federn der Druckbolzen nur so stark zu sein, daß sie die Kupplungshälften lösen
können, während der Permanentmagnet, dessen Kraft bei Vorhandensein eines größeren
Luftspaltes, d. h. also bei geschlossener Kupplung, äußerst gering ist, die bewegliche
Kupplungshälfte leicht im Eingriff mit ihrer Halterung hält und allenfalls eine
geringe
Kraft auf diese Kupplungshälfte ausübt, die im Sinne des Lösens der Kupplung wirkt.
In Öffnungsstellung der beweglichen Kupplungshälfte wird diese dagegen infolge der
bei wachsender Annäherung rasch zunehmenden Anzugskraft des Permanentmagnets mit
Sicherheit in voll geöffneter Stellung gehalten, so daß ein Schleifen der Rückstellbolzen
der einen Kupplungshälfte an der anderen bei ausgerückter Kupplung mit Sicherheit
vermieden wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer elektromagnetisch
betätigten Zahnkupplung gemäß der Erfindung dargestellt. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer elektromagnetisch betätigten
Zahnkupplung nach der Erfindung, F i g. 2 einen Teilschnitt nach der Linie 2-2 in
Fig. 1, F i g. 3 eine etwas größere teilweise Ansicht der wirksamen Teile der Kupplung
und F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in F i g. 1. In F i g. 1 ist 10 die
treibende Welle, die abgestufte Abschnitte 11 und 12 mit kleinerem Durchmesser aufweist
und die der Anpassung an Teile der Kupplung 15 dienen. Der Magnetkörper 16 ist auf
der Welle 10 mittels eines Keils 17 befestigt. Die durch die Änderung
des Wellendurchmessers gebildete Schulter 19 bildet einen Anschlag, der die axiale
Bewegung des Magnetkörpers 16 begrenzt. Auf seiner anderen Seite ist der Magnetkörper
16 in seiner Lage durch eine Abstandshülse 20 gehalten, die ihrerseits in ihrer
Stellung durch den Innenring des Lagers 21, welches den getriebenen Teil der Kupplung
aufnimmt, gehalten ist. Dieser getriebene Teil ist als ein Zahnrad 22 dargestellt.
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Der Magnetkörper 16 mit der Erregerspule 50 bildet die treibende Kupplungshälfte.
Die getriebene Kupplungshälfte 25 besteht aus einer Ankerscheibe 27, an deren äußerem
Umfang ein zylindrischer Ring 28 durch radiale Stifte 29 befestigt ist. Der Ring
28 weist auf seiner dem Magnetkörper 16 zugewandten Seite einen axial gerichteten
Zahnkranz 30 auf, der mit einem entsprechenden Zahnkranz 31 an der benachbarten
Seite des Magnetkörpers 16 kämmt. Die axiale Höhe beider Zahnkränze ist klein, so
daß die Bewegung der getriebenen Kupplungshälfte 25 gegenüber der treibenden Kupplungshälfte
16 zum Ein-und Ausrücken dieser Teile nicht groß ist.
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Auf der dem Magnetkörper 1.6 abgewandten Seite weist der Ring 28 der
getriebenen Kupplungshälfte 25 einen Innenzahnkranz 35 auf, der in einen Außenzahnkranz
36 einer mit dem getriebenen Bauteil, z. B. einem Zahnrad 22, fest verbundenen Ringscheibe
40 greift. Die Scheibe 40 besteht aus nichtmagnetischem Werkstoff, wie etwa Messing,
und ist an dem getriebenen Zahnrad 22 durch Schrauben 41 befestigt. Die erforderliche
Zentrierung der Scheibe 40 gegenüber der Welle 10 wird einfach dadurch erreicht,
daß der Innendurchmesser der Scheibe 40 dem Außendurchmesser des Lagers 21 angepaßt
wird. Der Zahnkranz 36 dient dazu, die getriebene Kupplungshälfte 25 in konzentrischer
Lage zur Welle 10 zu halten. Gleichzeitig kann sich die Kupplungshälfte 25 in axialer
Richtung gegenüber der Scheibe 40 durch die Zahnkränze 35 und 36 bewegen. Der Zahnkranz
36 ist in radialer Richtung ballig gearbeitet, um ein Klemmen mit dem Zahnkranz
35 zu verhindern, wenn etwa die Ankerscheibe 27 während einer axialen Bewegung kippt.
Bei Verwendung von Kupplungen in Werkzeugmaschinen, wie etwa Fräsmaschinen, Mühlen
u. dgl., ist oft eine Fernsteuerung der Kupplung erforderlich, wenn diese für Handbetätigung
unzugänglich ist. Die erfindungsgemäße Kupplung ist mit elektromagnetischen Einrichtungen
versehen, um die relative Axialbewegung zwischen dem Magnetkörper 16 und der Kupplungshälfte
25 zum Ineingriffbringen der Zahnkränze 30 und 31 hervorzurufen. Die Innenseite
des Magnetkörpers 16 weist eine Aussparung zur Aufnahme einer Erregerspule 50 auf,
die bei Speisung mit Gleichstrom ein elektromagnetisches Feld erzeugt. Die Speisung
der Erregerspule 50 erfolgt über eine Bürste 51, einen Schleifring 52 und eine Leitung
53. Der Schleifring 52 sitzt auf einem Isolierring 54, der in eine stirnseitige
Nut im Magnetkörper 16 eingesetzt ist. Das andere Ende der Erregerspule 50 ist über
einen Erdungsdraht 55 und eine Schraube 56 am Magnetkörper 16 geerdet. Bei Zuführung
eines Stroms zur Erregerspule 50 wird ein Feld aufgebaut, dessen magnetische Kraftlinien
die Kupplungshälfte 25 gegen den Magnetkörper 16 ziehen und den Eingriff der Zahnkränze
30 und 31 bewirken. Dadurch wird die Antriebsverbindung zwischen beiden Kupplungshälften
hergestellt. Der Außenzahnkranz 35 des Rings 28 gestattet die freie axiale Bewegung
der Kupplungshälfte 25 gegenüber der Scheibe 40, wobei die Mitnahme des Zahnrads
22 durch die beiden Kupplungshälften über den Zahnkranz 36 erhalten bleibt.
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' Da zur Verhinderung eines Rauchens oder Ratterns und eines unnötigen
Abnutzens ein schnelles Eingreifen und Ausrücken der Zahnkränze 30 und 31 erreicht
werden soll, werden der Magnetkörper 16 und die Kupplungshälfte 25 so angeordnet
und gelagert, daß zwischen den Zähnen auch in ausgerücktem Zustand der Kupplung
nur ein kleiner Zwischenraum verbleibt. Es ist daher wichtig, daß die Hälften schnell
voneinander getrennt werden und daß die Trennung mit Sicherheit aufrechterhalten
bleibt, um eine zufällige Berührung zwischen den Zahnkränzen zu verhindern. Um die
Kupplungshälften beim Entregen der Erregerspule 50 und dem darauffolgenden Zusammenbruch
des magnetischen Feldes zu trennen und getrennt zu halten, sind innerhalb des Magnetkörpers
16 durch Schraubenfedern 61 belastete Druckbolzen 60 vorgesehen. Diese Federn werden
unter dem Einfluß des magnetischen Feldes durch die Bewegung der zweiten Kupplungshälfte
25 in Richtung auf den Magnetkörper 16 zusammengedrückt. Vorzugsweise sind drei
oder mehr dieser federbelasteten Druckbolzen 60 in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt
in dem Magnetkörper 16 vorgesehen. Die Bewegung jedes der Bolzen 60 im Magnetkörper
16 ist etwa durch Hammerschläge erzeugte Anschläge 62 begrenzt. Der herausragende
Teil jedes Bolzens 60 ist einige Hundertstelmillimeter länger als die axiale Breite
des Zahnkranzes 30, um zu gewährleisten, daß der Zahnkranz bei Entregung der Erregerspule
50 sofort und vollständig außer Eingriff kommt.
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Wegen des verhältnismäßig kleinen Abstands zwischen den Zahnkränzen
30 und 31 in Entkupp-Iungsstellung (F i g. 3) sind in der Scheibe
40 Permanentmagnete 65 vorgesehen, die das Wegziehen der Kupplungshälfte
25 von der Kupplungshälfte 16 und ebenso die Bewegung der Kupplungshälfte 25 über
das äußere Ende der federbelasteten Bolzen 60 hinaus unterstützen. Die durch die
Permanentmagnete 65 auf die Kupplungshälfte 25 ausgeübte magnetische
Zugkraft
ist im Vergleich zu der elektromagnetischen Kraft, die durch die Erregerspule 50
erzeugt wird, verhältnismäßig schwach, so daß die Haltekräfte der Permanentmagnete
durch die elektromagnetisch erzeugte Zugkraft ohne weiteres überwunden werden. Beispielsweise
wurden zufriedenstellende Ergebnisse in einer Kupplung mit einem Gesamtdurchmesser
in der Größenordnung von 9 cm durch Verwendung zweier Magnete erreicht, deren jeder
einen Durchmesser von 6 mm und eine Länge von etwa 6 mm hatte.
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Wenn die Kupplung in einem Getriebe oder anderweitig verwendet wird,
so werden ihre einzelnen Teile gegenseitig so auf der Welle 10 angebracht, daß der
Abstand zwischen der Ankerscheibe 27 und der Scheibe 40 bei eingerückter Kupplung
größer als die Breite der Zahnkränze 30 und 31 ist. Dies wird wie üblich einfach
durch die Lage des getriebenen Zahnrads 22 gegenüber dem die treibende Kupplungshälfte
bildenden Magnetkörper 16 erreicht. Wenn dann im Betrieb die Erregerspule 50 erregt
wird, wird die Ankerscheibe 27 in Richtung auf den Magnetkörper bewegt, so daß die
Zahnkränze 30 und 31 in die in F i g. 1 dargestellte Eingriffsstellung kommen. Wird
die Erregerspule 50 entregt, so drücken die Federn 61 über die Bolzen 60 unverzüglich
die Ankerscheibe 27 in eine Stellung, in der die Zahnkränze 30 und 31 außer Eingriff
sind. Diese Bewegung der Ankerscheibe 27 bringt diese in den Wirkungsbereich der
Permanentmagnete 65, die die Ankerscheibe 27 anziehen und in Anlage an der Scheibe
40 halten, so daß sie außer Berührung mit den Bolzen 60 kommt. Die Kupplung kann
jederzeit wieder dadurch eingerückt werden, daß die Erregerspule 50 erregt wird,
da die von ihr entwickelte magnetische Kraft mehr als ausreicht, die Zugkraft der
Permanentmagnete 65 auf die Ankerscheibe 27 zu überwinden und somit die Ankerscheibe
27 zurück in diejenige Stellung zu bewegen, in der die Zahnkränze 30 und 31 wieder
in Eingriff kommen.