-
Zusammengesetzte Wellenkupplung, insbesondere für Anlasser von Motoren
und Triebwerken Die Erfindung bezieht sich auf eine zusammengesetzte Wellenkupplung,
insbesondere für Anlasser von Motoren und Triebwerken, bestehend aus einer kraftschlüssigen
Kupplung und einer nachgeschalteten Klauenkupplung als Trennkupplung.
-
Klauenfreilaufkupplungen und Klemmkörperfreilaufkupplungen sind an
sich bekannt. So werden beispielsweise Anlasserentkupplungsvorrichtungen verwendet,
die sich lediglich einer Klauenkupplung für den Eingriff und für das Trenn-en der
Antriebs- und Abtriebswelle bedienen. Derartige Kupplungen sind jedoch vergleichsweise
kompliziert aufgebaut. Vor allem haben sich aber bei dem Versuch, diese Art von
Kupplungen bei Anlassern mit höheren Leistungen zu verwenden, beträchtliche Schwierigkeiten
in der Praxis ergeben. Diese rühren daher, daß zum Eingriff der beiden Kupplungshälften
einer Klauenkupplung eine nicht unbeträchtliche Relativdrehung der Kupplungshälften
gegeneinander erforderlich ist, damit die Anlasserklaue in Eingriff mit ihrem Gegenstück
am Triebwerk gebracht werden kann. Die Beschleunigung bei unbelastetem Zustand vor
dem Eingriff ist sehr hoch, und dadurch ergeben sich bei der Herstellung der Antriebsverbindung
sehr starke Stöße. Es hat sich gezeigt, daß vielfach die beiden Kupplungshälften
wieder außer Eingriff sprangen. Weiterhin haben sich infolge der starken Stoßbelastung
auch Schwierigkeiten und Beschädigungen im Getriebesystem ergeben.
-
Die im vorstehenden aufgeführten Tatsachen sind die wesentlichsten
Gründe dafür, daß gegenwärtig bei den meisten Anlassern praktisch ausschließlich
Klemmkörperkupplungen verwendet werden. Bei Klemmkörperfreilaufkupplungen ergibt
sich erfahrungsgemäß wegen der zum Eingriff erforderlichen Relativdrehung von lediglich
einem Bruchteil eines Grades ein außerordentlich günstiges Eingriffsverhalten ohne
jegliche Stöße. Ein wesentliches Problem, welches hierbei auftritt, ergibt sich
daraus, daß die Klemmkörperkupplung während des Betriebes des Triebwerkes dauernd
frei umlaufen muß. Tritt bei diesem Betrieb ein Fehler in der Kupplung oder in den
Lagerungen auf, der derart ist, daß die Kupplung eingreift, so wird das Triebwerk
den Anlasser mit einer sehr stark überhöhten Drehzahl antreiben. Dies kann zu einer
schweren Beschädigung, wenn nicht sogar zu einer Zerstörung des Anlassers führen.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung
zu schaffen, die die im vorstehenden aufgeführten Nachteile nicht aufweist.
-
Erfindungsgemäß ist die kraftschlüssige Kupplung als an sich bekannte
Klemmkörperfreilaufkupplung ausgebildet, und die Klauenkupplung ist in an sich bekannter
Weise federbelastet, und es ist eine an sich bekannte Trennvorrichtung vorgesehen,
welche unter Ausnutzung der bei Umkehr des Kraftflusses eintretenden Relativdrehung
die Kupplungshälften trennt. Bei der erfindungsgemäßen zusammengesetzten Wellenkupplung
dient die Klauenkupplung ausschließlich dem Zweck, die Nachteile der bekannt-en
Einrichtungen zu beseitigen. Die Klauenkupplung hat sonst keinerlei Anteil an den
normalen Betriebsein-und -auskuppelvorgängen. Wie bereits dargelegt, ist hierfür
die Klemmkörperfreilaufkupplung der Klauenkupplung weit überlegen. Bei der erfindungsgemäßen
zusammengesetzten Wellenkupplung kann die Klauenkupplung auch nicht die normale
Einkuppel- bzw. Auskuppelfunktion übernehmen, da, wenn die Klauenkupplung einmal
außer Eingriff gelangt ist, die Klauenkupplung in diesem Zustand verbleibt und nur
von Hand aus wieder eingerückt werden kann. Diese Betriebsweise wird absichtlich
herbeigeführt, da bei einmal ausgerückter Klauenkupplung der Starter nicht erneut
mit dem Triebwerk verbunden werden kann. Dies führt zu einer erheblichen Sicherheit.
-
Die Trennvorrichtung kann aus einem Zapfen mit einem Schraubgewinde
an der einen Kupplungshälfte und aus einer mit diesem Schraubgewinde zusammenwirkenden
Bohrung
mit Innengewinde sowie einem gleichachsig zu dieser federnd gelagerten Kolben an
der anderen Kupplungshälfte bestehen, wobei dieser mit einer abgerundeten Stimfläche
an der Stimfläche des Zapfens mit Schraubgewinde anliegt.
-
Der das Schraubgewinde tragende, ein abgeflachtes Rundprofil aufweisende
Zapfen kann in der axial beweglichen Kupplungshälfte der Klauenkupplung angeordnet
sein und auf dem freien Ende seines Schaftes die den Eingriff der Kupplungshälften
bewirkende Feder tragen. Der Zapfen kann eine Schulter aufweisen, mit der der Zapfen
an der Kupplungshälfte anliegen kann.
-
In den Figuren der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Es zeigt F ig. 1 eine Schnittansicht einer zusarnnlengesetzten
Wellenkupplung für einen Gasturbinenanlasser, F i g. 2 eine Schnittdarstellung
genommen längs der Linie 2-2 der F i g. 1,
F i g. 3 eine Schnittansicht
der zusarnmengesetzten Wellenkupplung von F i g. 1, wobei die Teile in der
entkuppelten Stellung gezeigt sind, und F i g. 4 eine Schnittansicht längs
der Linie 4-4 der Fig. 1.
-
In F i g. 1 ist eine zusammengesetzte Kupplung für einen Gasturbinenanlasser
gezeigt, wobei 10 die Welle des Anlassers bezeichnet. Die Welle
10 ist mit der Welle 11, eines Gasturbinentriebwerks über eine Klemmkörperfreilaufkupplung
12 und Kupplungshälften 13 und 14 einer Klauenkupplung verbunden. Die Welle
10 weist einen Abschnitt 15 auf, der die innere Lauffläche der Klenimkörperfreilaufkupplung
12 bildet. Die äußere Lauffläche ist auf der inneren Oberfläche 16 der Kupplungshälfte
13 gebildet. Die Klemmkörperfreilaufkupplung 12 weist mehrere drehmomentübertragende
Klemmkörper 17 auf, die sich zwischen der inneren und äußeren Lauffläche
15 bzw. 16 erstrecken. Die Klemmkörper 17 werden durch Halteringe
18 und 19 und durch einen Federring 20 in gegenseitigem Abtand gehalten.
Die Form der Klemmkörper 17 und deren Anordnung bedingen bei einer leichten
Drehung der Anlasserwelle 10 gegenüber der treibenden Kupplungshälfte
13 im Uhrzeigersinn (in Richtung des Pfeiles in F i g. 2) ein Verkanten
oder Neigen der Klemmkörper 17, was zu einem Verklemmen oder Festlaufen dieser
Körper 17
zwischen den Laufflächen 15 und 16 führt. So hat eine
weitere Drehung der Anlasserwelle 10 im Uhrzeigersinn die übertragung eines
Drehmoments zwischeu C der treibenden Welle 10 und der getriebenen Welle
11 durch die Klemmkörper 17 zur Folge. Andererseits hat eine Drehung
der treibenden Kupplungshälfte 13 bezüglich der treibenden Anlasserwelle
10 im Uhrzeigersinn ein Neigen der Klemmkörper 17 in der entgegengesetzten
Richtung zur Folge, so daß die äußere Lauffläche 16 gegenüber der inneren
Lauffläche 15 frei läuft.
-
Der äußere Haltering 19 ist an der Kupplungshälfte
13 befestigt, so daß die Kupplungsteile 17, 18, 19 und 20 von der-
Kupplungshälfte 13 getragen und mit deren Drehzahl angetrieben werden. Die
normale Drehrichtung des Anlassers ist, wie in F i g. 2 gezeigt, die Drehrichtüng
des Uhrzeigers. Während des Anlassens im Uhrzeigersinn wird die Kupplungshälfte
13 durch die Klemmkörper 17 im Uhrzeigersinn mitgenomni
en.
-
Die Kupplungshälfte 13 weist eine Reihe sich axial erstreckende
YJauen 23 auf (F i g. 3), welche mit entsprechenden Klauen 24 in Eingriff
gelangen, die sich axial von der Kupplungshälfte 14 aus erstrecken. Die Kupplungshälfte
14 weist eine an der Außenseite kerbverzahnte Nabe 25 auf, auf die ein an
der Innenseite kerbverzahnter Abschnitt 26 der getriebenen Welle
11 aufgeschoben ist.
-
Die Kupplungshälfte 14 ist in der Kupplungshälfte 13 mittels
eines Zapfens 27 gelagert, der ein Außengewinde 28 aufweist, welches
in ein Innengewinde 29
in der Kupplungshälfte 13 eingreift. Die Kupplungshälften
13 und 14 werden durch eine Feder 30 im Eingriff gehalten. Die Feder
30 stützt sich mit einem Ende gegen eine Fläche 31 an der Kupplungshälfte
14 ab und mit dem anderen Ende gegen eine axial einstellbare Mutter 32, die
auf den Zapfen 27 aufgeschraubt ist.
-
Der Zapfen 27 weist eine oder mehrere Abflachungen
33 auf, die gegen Abflachungen 34 in der Kupplungshälfte 14 (F i
g. 4) anliegen. Der Zapfen 27 und die Kupplungshälfte 14 können eine
axiale Bewegung gegeneinander ausführen, sind aber gegen eine relative Drehbewegung
durch die gegeneinander anliegenden Abflachungen 33 und 34 gesichert. In
einer Bohrung 36 ist in der Kupplungshälfte 13 ein Kolben
35 gelagert, und dieser wird durch eine Feder 37 derart vorgespannt,
daß dieser am Zapfen 27 anliegt.
-
Die Kupplungshälfte 13 ist in Lager 39 und 40 gelagert,
die in der Anlasserwelle 10 angeordnet sind. Die Lager 39 und 40 gestatten
eine Drehung zwischen der Kupplungshälfte 13 und der Anlasserwelle
10
und zentrieren die inneren Laufflächen 15 der Klemmkörperfreilauf-kupplung
12 gegenüber der äußeren Lauffläche 16.
-
Während des normalen Anlassens wird ein Drehmoment von der Anlasserwelle
10 über die Klemmkörper 17, die Kupplungshälfte 13, die Klauen
23
und 24 und die Kupplungshälfte 14 auf die Welle 11
übertragen. Wenn
das Triebwerk eine vorbestimmte Drehzahl erreicht hat, wird die Energiezufuhr zum
Anlasser abgeschaltet. Nach diesem Abschalten beschleunigt sich das Triebwerk auf
seine normale Betriebsdrehzahl, wobei der Anlasser zum Stillstand gelangt. Sobald
die Drehzahl der Welle 11 die der Anlasserwelle 10 übersteigt, dreht
sich die Kupplungshälfte 13 relativ zur Welle 10 im Uhrzeigersinn
(F i g. 2), so daß die Klemmkörperfreilaufkupplung 12 frei läuft, wobei das
die Kupplungshälfte 13 in umgekehrter Richtung antreibende Drehmoment über
die Klauen 23 und 24, und zwar über die als schiefe Ebenen wirkenden Flächen
23 a und 24 a übertragen wird.
-
Die übertragung eines Drehmoments über die Flächen 23 a und
24 a der Klauen 23 und 24 erzeugt eine axiale Kraftkomponente, welche die
Kupplungshälften 13 und 14 auseinanderdrückt. Diese axiale Kraftkomponente
wird unter normalen Betriebsbedingungen durch die entgegenwirkende Kraft der Feder
30 ausgeglichen, welche die Kupplungshälften 13 und 14 im Eingriff
hält.
-
So dreht sich unter normalen Betriebsbedingungen, wenn das Anlassen
beendet ist, die Kupplungshälfte 13 weiter, wobei diese von der Welle
11 mitgenommen wird, und läuft gegenüber der Anlasserwelle 10
während
der ganzen Betriebsdauer des Triebwerks frei. Während des Freilaufs werden die Kupplungselemente
17, 18, 19 und 20 in der erläuterten Weise von der Kupplungshälfte
13 getragen und drehen sich mit dieser. Unter diesen Bedingungen gelangen
die
Klemmkörper 17 außer Eingriff mit der inneren Lauffläche
15, so daß der Freilauf ohne Reibung zwischen den Klemmkörpern
17 und der inneren Lauffläche 15 erfolgt, wobei die Lage der äußeren
Lauffläche gegenüber der inneren Lauffläche durch die Lager 39
und 40 bestimmt
ist.
-
Im Fall eines Fehlers in der Klemmkörperfreilaufkupplung 12, den beispielsweise
ein Festlaufen oder Fressen erzeugt und bei dem eine übertragung eines Drehmoments
von der Welle 11 auf die Anlasserwelle 10 erfolgt, wird durch die
zusammengesetzte Wellenkupplung der Anlasser vom Triebwerk getrennt. Die Teile werden
dann dauernd in der in F i g. 3 gezeigten Stellung gehalten. Die Axialkomponente,
die in diesem Fall durch die Flächenbelastung an den geneigten Flächen
23 a und 24 a der Klauen 23 und 24 erzeugt wird, wächst. Die von der
Feder 30 auf die Kupplungshälfte 14 ausgeübte Kraft ist so bemessen, daß
sie unter diesen Umständen kleiner ist als die durch das in umgekehrter Richtung
übertragene Drehmoment erzeugte Axialkomponente. Die Flächen 24 a der Klauen 24
der Kupplungshälfte 14 gleiten von den Flächen 23 a der Klauen
23 der Kupplungshälfte 13 ab, wobei die Feder 30 zusammengedrückt
und die Kupplungshälften 13 und 14 getrennt werden. Die Kupplungshälfte 14
beginnt sich dann nach Art eines Zahngesperres gegenüber der Kupplungshälfte
13 im Uhrzeigersinn zu bewegen (F i g. 2).
-
Wenn diese Relativdrehung zwischen den Kupplungshälften
13 und 14 stattfindet, wird der Zapfen 27 zusammen mit der Kupplungshälfte
14 so lange gedreht, bis das Gewinde 28 aus dem Innengewinde 29 herausgesehraubt
ist. Während dieses Vorgangs bewegt sich der Zapfen 27 axial zur Kupplungshälfte
14, bis eine Schulter 41 am Zapfen 27 gegen eine Fläche 42 an der Kupplungshälfte
14 anliegt, so daß eine weitere axiale Bewegung des Zapfens 27 über diesen
Punkt hinaus die Kupplungshälfte 14 von der Kupplungshälfte 13 trennt, wobei
die kerbverzahnte Nabe 25 der Kupplungshälfte 14 axial in der Kerbverzahnung
26 der Welle 11 gleitet. Sobald das Gewinde 28 aus dem Innengewinde
29 herausgeschraubt ist, übt die über den Kolben 35 einwirkende Feder
37
eine axiale Kraft auf die Stimfläche des Zapfens 27
aus, die groß
genug ist, um die Kupplungshälften 13
und 14 voneinander getrennt zu halten.
Die Stellung der Teile nach dieser Trennung ist in F i g. 3 gezeigt.
-
Nachdem die Trennung erfolgt ist, kann sich die Kupplungshälfte 14
weiter gegenüber der Kupplungshälfte 13 drehen, wobei die einzige Berührung
zwischen den beiden Kupplungshälften an der Stelle erfolgt, an der die abgerundete
Stimfläche 38 des Kolbens 35 gegen das Ende des Zapfens
27 anliegt.
-
Sobald, ein Fehler in der Klemmkörperfreilaufkupplung oder in deren
Lagern aufgetreten ist und Anlasser und Triebwerk in der beschriebenen Weise getrennt
sind, führt ein jeder weiterer Versuch, das Triebwerk zu starten, lediglich zu einer
Beschleunigung des Anlassers auf dessen vorbestimmte Abschaltdrehzahl, bei welcher
das Steuersystem des Anlassers die Energiezufuhr zum Anlasser abschaltet und das
Triebwerk stehenbleibt. Dies zeigt an, daß ein Fehler vorhanden ist und daß entsprechende
Maßnahmen ergriffen werden müssen.