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Zahnkupplung, insbesondere zum Verbinden eines schnell laufenden Zentrifugalverdichters
mit einer koaxialen Antriebswelle Die Erfindung betrifft eine Zahnkupplung, insbesondere
zum Verbinden eines schnell laufenden Zentrifugalverdichters mit einer koaxialen
Antriebswelle, wobei die außenverzahnte Verdichterwelle mit axialem und radialem
Spiel mit der Innenverzahnung eines Zentralrades eines Umlaufrädergetriebes verbunden
ist, das von gehäusefest gelagerten Planetenrädern getragen ist, die mit einem mit
der Antriebswelle verbundenen Zahnrad kämmen.
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Derartige Kupplungen dienen insbesondere zum Ausgleich von Fluchtfehlern
der miteinander verbundenen Wellen, die bei direkter Verbindung zu gefährlichen
Schwingungen führen können, insbesondere bei mit höchsten Drehzahlen laufenden Maschinen,
wie z. B. Zentrifugalverdichtern. Bei einer bekannten Kupplung dieser Art erfolgt
die Verbindung der Verdichterwelle mit dem Zentralrad über ein schwimmend angeordnetes
Wellen- oder Hülsenstück, das sowohl mit der Antriebswelle als auch mit dem Zentralrad
durch Zahnkupplungen verbunden ist, die ein axiales Spiel haben und eine gegenseitige
Verkippung der Teile gestatten, jedoch kein oder jedenfalls kein absichtliches radiales
Spiel haben. Da bei dieser Anordnung zwischen den Achsen der Verdichterwelle und
des Zentralrades zwei Gelenkstellen vorhanden sind, können hierdurch auch radiale
Fluchtfehler der beiden Wellen ausgeglichen werden. Die bekannte Anordnung hat jedoch
den Nachteil, daß die schwimmend gelagerte Masse des verbindenden Wellen- oder Hülsenstückes
eine gefährliche Quelle von zusätzlichen Schwingungen darstellt. Außerdem setzt
die bekannte Anordnung einen gewissen Mindestabstand der beiden gelenkigen Zahnkupplungen
voraus, so daß die axiale Baulänge der Gesamtanordnung eine gewisse Mindestgrenze
nicht unterschreiten kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für den Ausgleich von
Fluchtfehlern jeder Art geeignete Zahnkupplung der eingangs genannten Gattung zu
schaffen, bei der ein fliegend gelagertes Verbindungsstück nicht erforderlich ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Verzahnung
der Verdichterwelle unmittelbar mit der Verzahnung des Zentralrades im Eingriff
steht. Obwohl hierbei das radiale Spiel in der Zahnkupplung selbst vorgesehen sein
muß, hat es sich gezeigt, daß hierdurch wider Erwarten keine unzulässigen Vibrationen
eingeführt werden, sondern daß vielmehr diese Anordnung auch bei höchsten Drehzahlen
besonders laufruhig ist. Durch das Weglassen des verbindenden Wellen- oder Hülsenstückes
wird die Anordnung - abgesehen von der Material- und Kostenersparnis - kürzer und
daher für die Verbindung von dicht einander gegenüberstehenden Wellen od. dgl. besonders
geeignet. Da nur noch eine Zahnkupplung statt zwei, wie bei den bekannten Anordnungen,
vorhanden ist, sind auch die Reibungsverluste geringer, was sich insbesondere bei
hohen Drehzahlen in erheblichem Maße auswirkt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen
näher beschrieben. Es zeigt F i g.1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße
Kupplung, F i g. 2 einen Querschnitt längs der Linie 11-II von F i g.1, F i g. 3
in größerem Maßstab eine Draufsicht auf die für die Zahnkupplung verwendete Keilverzahnung,
F i g. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV von F i g. 5, F i g. 5 eine schematische
Darstellung zur Verdeutlichung eines achsparallelen Fluchtfehlers, F i g. 6 eine
schematische Darstellung zur Verdeutlichung eines nicht achsparallelen Fluchtfehlers.
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Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Antriebsübertragung von einem
Antriebsmotor auf einen
koaxial dazu angeordneten Zentrifugalverdichter.
Dementsprechend ist in F i g. 1 das linke Ende einer Motorwelle 31 gezeigt, die
über eine Kupplung 10 mit einer ihr in geringem Abstand koaxial gegenüberstehenden
Welle 22 eines mit Höchstgeschwindigkeit umlaufenden Zentrifugalverdichters antriebsmäßig
verbunden ist. Von der in einem nabenartigen Gehäuse 21 angeordneten Welle 22 ist
nur das rechte Ende dargestellt, das in einem Lager 24 radial sowie durch ein Drucklager
20 und eine diese sichernde Kappe 20' axial gelagert ist. Auf dem (nicht dargestellten)
rechten Ende der Welle 22, das in ähnlicher Weise gelagert ist, sitzt der Rotor
des Verdichters, welcher als Schleuderrad das von einem axialen Einlaß angesaugte
Gas nach außen zu einem tangential angeordneten Auslaß beschleunigt. Die Welle 22
selbst ist als verhältnismäßig dicker Körper ausgebildet, um dem Rotor Schwungradeigenschaften,
insbesondere bei hohen Drehzahlen, zu verleihen.
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Die Kupplung 10 zwischen den Wellen 31 und 22 hat zwei Aufgaben zu
erfüllen: Sie soll den Antrieb des Motors auf die Welle 22 übertragen, und zwar
zur Erzielung der benötigten hohen Drehzahlen des Verdichters, vorzugsweise mit
einer übersetzung, die in typischen Fällen etwa 3: 1 beträgt, aber in Ausnahmefällen
auch 8: 1 und mehr betragen kann. Selbstverständlich kann die Kupplung -für andere
Zwecke auch mit einem Verhältnis 1 : 1 oder mit einem Untersetzungsverhältnis arbeiten.
Zweitens soll die Kupplung in der Lage sein, Fluchtfehler der beiden Wellen 22 und
31, wie sie entweder trotz sorgfältiger Montage von vornherein vorhanden sein oder
im Betrieb durch Wärmeausdehnungen auftreten können, auszugleichen.
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Die Kupplung ist als Planetengetriebe ausgebildet. Die Planetenräder
34, 35, 35' sind gehäusefest, d. h., in dem nabenartigen Gehäuse 21 gelagert. Sie
kämmen mit einem äußeren Zentralrad oder Zahnkranz 54, der über eine Drehmoment
übertragende Kupplungshülse 59 und eine Scheibe 56 mit der Motorwelle 31 verbunden
ist, und mit einem inneren Zentralrad oder Sonnenrad 33, das mit der Verdichterwelle
22 über eine noch zu beschreibende Zahnkupplung verbunden ist. Wie aus den F i g.
1 und 2 ersichtlich, ist die Welle 22 in der Nähe ihres der Motorwelle
31 benachbarten Endes mit einer angehobenen, mit Keilen versehenen äußeren
Oberfläche 22' versehen, auf der das Sonnenrad 33 in Längsrichtung gleit- und schwenkbar
gehalten ist. Planetenräder 34, 35 und 35' der Planetenanordnung sind drehbar auf
den Bolzen 37, 38 und 38' in einander entsprechender Weise gelagert. Die Bolzen
erstrecken sich parallel zu der Welle 22 und sind in dem Gehäuse 21 fest in ihrer
Lage gehalten. Die Planetenräder und die Achsen, auf denen sie gelagert sind, haben
gleichen Abstand vom Mittelpunkt der Welle 22 und sind auch im Umfang voneinander
gleich entfernt.
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Das erste Ringteil des Sonnenrades 33 ist in Längsrichtung gleitfähig
auf der Welle 22 gehalten. Dieser Ring ist ein Zahnkranz üblicher Form mit einer
Keilbohrung, die zu der Keilverzahnung 22' der Welle 22 paßt. Zwei Halteteile 39
und 41 liegen an den vorderen und hinteren Frontflächen der Keilverzahnung 22' an
und sind gegen seitliche Verschiebung durch in Umfangsnuten sitzende Sprengringe
40 und 40' gehalten, um das Zahnrad 33 gegenüber der Welle 22 zu sichern. Es ist
vorgesehen, daß zwischen der Welle 22 und dem Zahnrad 33 ein gewisses Spiel in axialer
und radialer Richtung vorhanden ist, so daß die im Eingriff stehenden Teile im Fall
geringen ungenügenden Fluchtens der Motor-Kompressor-Einheit sich selbst einstellen
können. Der Außenumfang des Sonnenrades 33 weist die normale Zahnung auf, und zwar
mit Evolventenzähnen von regelmäßigem Abstand zum Eingriff mit den Planetenrädern
34, 35 und 35'.
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Innerhalb der Kupplung wird Flexibilität zur Übertragung zwischen
nicht fluchtenden Antriebs-und Abtriebswellen wenigstens teilweise auf Grund der
einstellbaren Anordnung des Sonnenrades 33 auf der Keilwelle 22' erreicht.
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F i g. 3, in der die Keilzähne der Welle von oben etwas übertrieben
gezeigt sind, veranschaulicht, daß die Längsflächen 42 und 43 der Keilzähne konvex
ausgeführt sind, so daß sie an ihren Enden schmaler sind als in der Mitte. Wenn
in der Bohrung des Sonnenrades 33 Keilnuten mit entsprechend konvexer Oberfläche
oder auch mit verhältnismäßig ebener Oberfläche vorgesehen sind, wird wenigstens
punktförmiger Kontakt zwischen diesen beiden Teilen bei der Drehung der Welle 22
vorhanden sein. Auf diese Weise wird unabhängig von mangelhafter Ausrichtung der
gekuppelten Wellen die Drehung sicher übertragen.
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Dieser punktförmige Kontakt bewirkt natürlich an dem Punkt, an dem
dieser Kontakt vorhanden ist, eine ziemlich hohe Druckspannung. Es ist deshalb ratsam,
die größtmögliche Zahl von Keilen vorzusehen, die der Durchmesser der Welle zuläßt.
Weiterhin sind die ringförmigen Bünde 39 und 41 (F i g. 3) ein wenig von den Stirnflächen
der Keilenden entfernt, damit bei leichter Exzentrizität des Rades 33 auf der Welle
auf Grund eines Fluchtungsmangels kein Festsetzen eintritt; was sonst unter Umständen
möglich wäre.
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Das seitliche Profil von im Eingriff befindlichen, nicht drehenden
Zähnen bzw. Nuten wird in F i g. 4 gezeigt, in der man ein gewisses Spiel C zwischen
dem Kopf eines Zahnes und dem Grund einer Nut nicht miteinander im Eingriff stehender
Zahnteile sieht. Ein Keil kann auch mit einer gewölbten Kopffläche versehen sein.
Auf diese Weise wird bei exzentrischem Betrieb des Rades 33 gegenüber der Welle
22 Kontakt mit dieser Welle aufrechterhalten, und es besteht jederzeit richtige
Linienberührung mit den Zähnen der Planetenräder.
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Wie man aus den F i g. 1 und 2 ersieht, ist das nabenförmige Gehäuse
21 insgesamt zylindrisch. Es umgibt die Welle 22' und weist eine Mehrzahl von quer
verlaufenden Schlitzöffnungen 44 auf, die von seiner äußeren Oberfläche bis zur
Mittelbohrung durchgehen. Jeder dieser Schlitze hat eine genügende Größe zur Aufnahme
eines einzelnen Planetenrades und zu dessen drehbarer Lagerung.
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Die Planetenräder 34, 35 und 35' (F i g. 2) sind sowohl radial
als auch umfänglich mit gleichen Abständen gelagert und stehen im Eingriff mit der
äußeren Verzahnung des Sonnenrades 33. Die Planetenräder sind drehbar auf Bolzen,
wie z. B. dem Bolzen 38, gelagert, die sich quer in jedem der Schlitze 44 erstrecken,
und zwar in Richtung parallel zur Rotorwelle 22.
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Wie man in F i g. 3 sieht, sind die inneren Enden der Bolzen eng in
entsprechenden Bohrungen in der Stirnfläche des Gehäuses gehalten. Sie sind mit
durchlaufenden
axialen und radialen Kanälen versehen, die mit der Schmierkammer 47 zur Zuleitung
von Druckschmiermittel zu den äußeren Lagerflächen der Bolzen dienen.
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IDie- Planetenräder sind drehbar auf dem Mittelbereich der Bolzen
gelagert, der mit einer Schmiertasche 51 versehen ist. Schwimmende Abstandsstücke,
wie die bei 52 und 53 gezeigten, sind auf der Welle 38 gelagert und legen das Planetenrad
35 in der Mitte der Achse und in der gleichen Ebene mit dem Rad 33 fest.
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Der Kopfteil 48 jedes Bolzens, wie z. B. des Bolzens 37, sitzt dicht
in einer in der Stirnfläche der Nabe 21 gebildeten Bohrung und wird mittels der
Sicherungsschrauben 49 oder entsprechender Halteeinrichtungen in seiner Lage gehalten.
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Das äußere Zentralrad oder Zahnkranz 54 hat Innenverzahnung, umgibt
die Planetenräder 34, 35 und 35' und steht mit ihnen im Eingriff. Die äußere Oberfläche
des Zahnkranzes 54 ist im Bereich eines angehobenen mittleren Teiles dieses Umfanges
mit einer Mehrzahl von in Längsrichtung verlaufenden Schlitzen oder Nuten von ähnlicher
Form wie den vorher erwähnten Keilformationen auf der Welle 22 versehen für das
Zusammenwirken mit dem drehmomentübertragenden Teil 59. Der Zahnkranz 54 wird genauso
wie das vorher erwähnte Sonnenrad 33 und die entsprechenden Planetenräder aus Standardzahnrädern
von gehärtetem Stahl oder derartigem Material mit abriebfesten Kontaktflächen hergestellt.
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Die Welle 31 des Antriebsmotors (F i g. 1) erstreckt sich im wesentlichen
koaxial zu der Kompressorwelle 22. Die Welle 31 trägt eine scheibenartige Platte
56 mit einer Nabe 57, die auf dieser Welle fest zu gemeinsamer Drehung verkeilt
ist. Ein Schlußring 58 ist auf das Wellenende aufgeschraubt und hält die Platte
56 in der vorgesehenen Lage, in der sie an dem Bund 58' der Welle 31 anliegt. Der
Außendurchmesser der Platte 56 ist etwa dem Außendurchmesser des Zahnkranzes 54
gleich. Die Außenkante dieser Platte 56 ist mit Längsschlitzen oder entsprechenden
Nuten zum Zusammenwirken mit dem drehmomentübertragenden Teil 59 versehen. Der Einfachheit
halber und um eine stabile Konstruktion zu erhalten, kann die Platte 56 aus einem
Stück durchgehend hergestellt sein. Dieses Teil kann aber auch als dünnere Platte
mit radialen Speichen ausgebildet sein, die einen Umfangsring tragen, der in entsprechender
Weise so ausgebildet ist, daß er das die Drehung übertragende Teil 59 aufnehmen
kann.
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Das die Drehung übertragende Teil 59 besteht aus einem hohlzylindrischen
Hauptteil, das an den gegenüberliegenden Enden offen ist. Jedes dieser Enden ist
auf seiner Innenseite so ausgeführt, daß es längsverschieblich mit dem Außenrand
des Ringes 56 bzw. mit der Platte 54 zusammenwirken kann. Wie man in F i g. 3 sieht,
ist die Öffnung auf der linken Seite des Teiles 59 mit einer Reihe von umfänglichen
Keilen gleichen Abstandes versehen, die in entsprechende Nuten (und umgekehrt) am
Außenumfang des Teiles 54 eingreifen. Diese in ihrer Form einander entsprechenden
Keile und Nuten sind in ähnlicher Weise geformt wie oben unter Bezugnahme auf das
Sonnenrad 33 beschriebenen. Die Nuten besitzen nämlich konvexe bzw. bombierte Berührungsflächen,
die im Zusammenhang mit den in sie eingreifenden Zähnen Winkelbeweglichkeit während
der Drehung erlauben. Sprengringe 61, 62, 63 und 64 oder entsprechende Befestigungsringe,
die in Nuten auf dem Innenumfang des Teiles 59 gehalten sind, gestatten ein gewisses
Maß axialer Bewegung zwischen dem Zahnkranz 54, der Platte 56 und dem die Drehung
übertragenden Teil 59. Die Art der bestehenden Verbindung zwischen diesen Teilen
erlaubt nicht nur axiale Relativbewegung, sondern die Keile und Nuten auf den entsprechend
geformten verschieblich zusammenwirkenden Oberflächen gestatten auch ein gewisses
Maß an Versetzung gegenüber der konzentrischen Relativlage, wie es im Fall von seitlicher
Versetzung zwischen Kompressor und Motor der Fall sein muß. Beispielsweise veranschaulicht
die F i g. 5 graphisch und kinematisch die Relativlage von Kompressor, Motor und
dem die Drehung übertragenden Teil, wenn die Wellen exzentrische, parallele Relativlage
haben.
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F i g. 6 stellt die Verhältnisse dar, wenn die Wellenachsen aus paralleler
Relativlage herauskommen. In jedem Falle gestattet die Flexibilität der äußeren
Kupplungsverbindung Punkt-Punkt-Kontakt zwischen dem die Drehung übertragenden Teil
59 und dem damit in Verbindung stehenden Ring 54 und der Platte 56. In ganz entsprechender
Weise nimmt das Sonnenrad 33 (F i g.1) mit seiner inneren Keilfläche eine versetzte
Lauflage ein, wenn die Welle 22 exzentrisch gegenüber der Achse des Planetengetriebes
liegt.
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Normalerweise wird bei Drehung der Motorwelle 31 mit hoher Geschwindigkeit
das entwickelte Drehmoment über die Wände des Teiles 59 auf das Planetengetriebe
übertragen. Dies die Drehung übertragende Teil hat normalerweise längliche, zylindrische
Form, da seine Hauptaufgabe darin besteht, den Abstand zwischen dem Planetengetriebe
und der Scheibe 56 zu überbrücken. Die Wände dieses Teiles weisen Queröffnungen
zum Durchtritt von Kühlmedium für die einander berührenden Transmissionselemente
auf.
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Ferner können Verbindungen, wie z. B. Durchgangskanäle, in der Kompressoreinheit
an bestimmten Stellen des Kompressorrades oder in dem Kompressorgehäuse zur Einführung
eines Stromes von komprimiertem Gas zu dem Kupplungsraum zu Kühlzwecken und zur
Erzeugung einer nichtkorrosiven Atmosphäre vorgesehen sein. Die Kupplung wird von
dem ein offenes Ende besitzenden Tragteil 70, das zylindrisch und am Motor und Kompressorgehäuse
befestigt ist, umgeben. In der Kammer 69, die von dem Tragteil 70 gebildet
wird, wird durch die Anordnung flexibler O-Ringe 71 und 72, die unter Verformung
gegen das Gehäuse und das Motorgehäuse als Umfangsdichtung gedrückt werden, eine
luftdicht abgeschlossene Atmosphäre geschaffen.
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Der Kammer 69 kann mittels eines der verschiedenen bekannten Verfahren
Schmiermittel zugeführt werden und von ihr wieder abgeführt werden durch eine Abzugseinrichtung
im unteren Teil des Gehäuses 68. Das Schmiermittel kann dann in gewohnter Weise
vor seiner Wiedereinführung außerhalb des Aggregates Kühlvorrichtungen durchlaufen.
In erster Linie schafft es bei Neutralität des eingeführten Gases eine neutrale
Atmosphäre in der Kammer 69, wodurch die Gefahr von schädigender Oxydation der Transmissionsteile
vermieden wird.
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Man hat bei der beschriebenen Anordnung eine einzelne Einstellebene
durch das Planetengetriebe, in
welcher sich Sonnen- und Planetenräder
selbsttätig auf einwandfreie Arbeitsbedingungen einstellen können.
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Wie man aus F i g.1 ersieht, ist diese Anordnung vor allem dann vorteilhaft,
wenn die Antriebswelle auf beiden Seiten des Sonnenrades gelagert ist. Diese Bauweise
ist besonders steif und für sehr hohe Drehgeschwindigkeiten geeignet, ergibt aber
trotzdem noch eine solche Flexibilität, daß gewisse Fluchtfehler aufgenommen werden
können.
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Sichere Schmierung der Kupplung ist in Anbetracht der Arbeitsweise
bei normalerweise sehr hoher Geschwindigkeit von höchster Bedeutung. Von in den
Zeichnungen nicht gezeigten Pumpen wird ein Schmiermittel unter Druck durch Kanäle
75, 76 und 77 in jeweils entsprechender Weise zu der Vorderfläche des Lagers 20
geführt. Der Kanal 78 läßt das Schmiermittel durch radiale Kanäle auf der
hinteren Lagerfläche nach innen zurückfließen. Der axial verlaufende Kanal
79 steht mit dieser Rückfläche in Verbindung und führt das Schmiermittel
zu den Keilformationen 22' auf der Welle.
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In der Welle 22 ist eine Mehrzahl von radialen Kanälen 81 angeordnet,
so daß wenigstens ein Kanal jeden Zahn der Keilfläche speist. Verbindungskanäle
82 und 83 außerhalb der Kanäle 81 empfangen das Schmiermittel auf Grund der Zentrifugalwirkung
zur Schmierung der kämmenden Oberflächen des Zahnrades 33 und der Planetenräder.
An den Planetenrädern haftendes Schmiermittel wird auf die Zähne des Zahnkranzes
54 übertragen. Außerdem wird dieser Ring von Spritzöl geschmiert, das von den rotierenden
Planetenrädern nach außen geschleudert wird. Wie schon oben gesagt, wird das Schmiermittel,
das sich in dem Gehäuse 70 ansammelt, abgezogen, getrennt und im Kreislauf wieder
zurückgeführt.