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Zahnkupplung Die Erfindung bezieht sich auf eine Zahnkupplung, bestehend
aus zwei verzahnten Kupplungsnaben, die mittels einer an den beiden Endabschnitten
verzahnten Kupplungshülse verbunden sind.
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Die Tendenz nach immer größeren Leistungen bei möglichst kleinen Maschinendimensionen
eröffnet den Zahnkupplungen ein weites Anwendungsgebiet, da gerade diese, im Vergleich
zu anderen Kupplungsarten, in ganz besonderer Weise befähigt sind, große Drehmomente
bei kleinen Kupplungsdurchmessern zu übertragen.
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Sie werden im allgemeinen als drehstarre Doppel-Zahnkupplungen gebaut.
Diese lassen Längsverschiebungen und in gewissen Grenzen auch Winkelabweichungen
und Achsenversetzungen zu.
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Als Folge des Strebens nach größerer Leistungsdichte haben die Maschinendrehzahlen
Erhöhungen erfahren, wodurch gesteigerte Anforderungen an die Kupplungen gestellt
werden.
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Bisher wurden Zahnkupplungen ausschließlich nach Gesichtspunkten der
Festigkeit ausgelegt. Für langsam laufende Zahnkupplungen ist diese Methode auch
noch immer ausreichend. Schnellaufende Zahnkupplungen bedürfen jedoch zusätzlicher
Oberlegungen.
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Doppelte Zahnkupplungen bestehen mindestens aus drei Einzelteilen:
den beiden Kupplungsnaben und der Kupplungshülse. Bei einer bekannten Zahnkupplungsbauart
werden die Endabschnitte der Kupplungshülse von den Naben übergriffen. Eine Innenverzahnung
der Kupplungsnabe kämmt dabei ständig mit einer Außenverzahnung eines Hülsenendabschnittes.
Es ist jedoch auch die umgekehrte Bauart bekannt, bei der die Endabschnitte der
Kupplungshülse die innenliegenden Kupplungsnaben übergreifen. Die Innenverzahnungen
der Kupplungshülse kämmen dabei mit den Außenverzähnungen der Kupplungsnaben.
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Von ausschlaggebender Bedeutung für ein gutes Laufverhalten hochtouriger
Zahnkupplungen ist, außer einer guten statischen und dynamischen Auswuchtung, die
exakte Zentrierung der Kupplungshülse in den beiden Kupplungsnaben während des gesamten,
von der Kupplung zu durchfahrenden Drehzahlbereiches.
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Es sind mehrere Ausführungsarten der Zentrierung von doppelten Zahnkupplungen
bekannt. So wurden Zahnkupplungen gebaut, bei denen die Zentrierung unmittelbar
durch die Flanken der Kupplungszähne selbst oder durch Berührung des Zahnkopfes
mit dem Zahngrund der Gegenverzahnung erfolgt. Eine weitere bekannte Ausführung
zentriert die Kupplungshülse durch einen zusätzlich in der Nähe der Verzahnung angeordneten,
meist Balligen Zentrierbund.
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Alle diese bekannten Kupplungsausführungen haben aber, wenn sie mit
höheren Drehzahlen betrieben werden, den großen Nachteil, daß sich die Einzelteile
der Kupplung unter Fliehkrafteinwirkung in radialer Richtung dehnen. Die äußeren,
im Durchmesser größeren Teile dehnen sich dabei stärker als die inneren. Es ergeben
sich dadurch zum Teil Betriebsspiele, sowohl beim Flankenspiel als auch bei den
Zentrierungen, die ganz erheblich über dem herstellungsbedingten Spiel im Ruhezustand
liegen. Eine Zentrierung .der Kupplungshülse; ob in den Zahnflanken, am Zahnkopf
oder durch Zentrierbund, ist dann nicht mehr vorhanden, so daß es zu Exzentrizitäten
innerhalb der Kupplung kommen kann, die wiederum sehr große Unwuchtkräfte auslösen.
Diese Unwuchtkräfte erreichen leicht Größenordnungen, die zu einer ernsten Gefahr
für den gesamten Maschinensatz werden können.
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Die Zentrierungen am Zahnkopf und durch Zentrierbund weisen zudem
den weiteren Nachteil auf, daß sie eine Überbestimmung darstellen, die ein gleichmäßiges
Tragen aller Zähne bei Drehmomentübertragung und damit eine eindeutige gleichmäßige
Kräfteverteilung verhindern. Es ist deshalb richtiger, die Zentrierung an den Zahnflanken
direkt vorzunehmen und des weiteren geeignete Maßnahmen zu treffen, um das Zentriervermögen
der Zähne zu vergrößern. Bekannte Maßnahmen dafür sind beispielsweise ein größerer
Eingriffswinkel als 20°, längsballige Flanken, ein möglichst kleines Gewicht der
zu zentrierenden Kupplungshülse, Nitrierhärtung der Kupplungszähne und gute Durchlaufschmierung.
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Um letzteres zu erreichen, sind bereits folgende Maßnahmen bekannt:
Radiale Ölzuführungsbohrungen in Mitte jeder Zahnlücke der Außenverzahnung, konvexe
Form des Zahnkopfes der Innenverzahnung
und Abschrägen desselben
zur arbeitenden Zahnflanke hin. Diese Maßnahmen sind aber sehr aufwendig.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zahnkupplung zu schaffen,
die selbst bei hohen Betriebsdrehzahlen selbsttätig zentriert.
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Die gestellte Aufgabe ist bei einer Zahnkupplung der eingangs erwähnten
Art dadurch gelöst, daß gemäß der Erfindung die die innenliegenden Zahnkränze tragenden
Abschnitte wenigstens im Bereich der Kränze axial geschlitzt sind.
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Durch die Schlitzung in axialer Richtung wird erreicht, daß unter
der Wirkung der Fliehkräfte der innere Teil der Zahnkupplung stärker aufgeweitet
wird als der äußere. Damit wird insbesondere bei großen Drehzahlen stets eine spielfreie
Flankenanlage und damit eine gute Zentrierung herbeigeführt. Auch das im Ruhezustand
der Zähne immer vorhandene fertigungsbedingte Zahnspiel wird mit Hilfe der Erfindung
mit wachsender Drehzahl vollständig eliminiert. Dies kann für die Zahnkupplung insbesondere
dann von großer Bedeutung sein, wenn diese längere Zeit in einem Teillastgebiet
betrieben wird und bei diesem Teillastgebiet die aus dem Drehmoment resultierenden
Zentrierkräfte noch zu klein sind, um allein einen zentrischen Lauf der Kupplungshülse
zu erreichen.
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Zahnkupplungen waren bisher stets als drehstarr anzusprechen, da die
Zahnfederung nur von unbedeutender Größe ist. Durch die axialen Einschnitte an den
Enden der Kupplungshülse wird nun aber auch eine Drehelastizität für die Kupplung
erhalten, deren Höhe den Erfordernissen des Maschinenaggregates angepaßt werden
kann. Die Zahnkupplung nach der Erfindung ist damit nicht mehr drehstarr wie die
herkömmlichen Zahnkupplungen.
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Die Erfindung wird an Hand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert. F i. g. 1 zeigt einen Längsschnitt längs der Linie I-I nach F i
g. 2 durch die doppelte Zahnkupplung nach der Erfindung; F i g. 2 zeigt einen Querschnitt
durch die Zähne der Kupplungshülse; F i g. 3 zeigt eine Draufsicht III auf einen
der axialen Einschnitte in der Kupplungshülse in Richtung des Pfeiles III nach F
i g. 1; F i g. 4 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der Kupplung.
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In F i g. 1 sind Wellenstümpfe 1 dargestellt, die miteinander zu kuppeln
sind. Auf diese Wellen- ; stümpfe sind Kupplungsnaben 3 unverdrehbar aufgesetzt.
Zwischen den Kupplungsnaben 3 befindet sich eine Kupplungshülse 5.
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Die aufeinander zu weisenden Teile der Naben 3 sind mit ringförmigen,
innenverzahnten Ansätzen versehen. Die Zähne 6 der Innenverzahnungen kämmen dabei
mit Zähnen 7, die als Außenverzahnung auf den Endabschnitten 5 a der Hülse
5 vorgesehen sind.
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In der Hülse 5 sind in Längsrichtung verlaufende Schlitze 8 vorgesehen,
die den geschlossenen Ringquerschnitt in den Endabschnitten 5 a der Hülse 5 in Teilstücke
aufteilen. Zur Aufnahme von axialen Längsverschiebungen dient ein Spalt 9, der sich
zwischen den Endabschnitten 5 ca der Kupplungshülse 5 und den beiden Kupplungsnaben
3 ausbildet.
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Die Zentrierung der Kupplungshülse 5 in den Kupplungsnaben 3 wird
unmittelbar an den Zahnflanken der Kupplungsverzahnungen 6 und 7 vorgenommen. Die
Zahnflanken der Außenverzahnungen der Naben 3 sind dabei längsballig ausgeführt,
wodurch eine größere Gelenkigkeit erreicht wird und ein Eckentragen verhindert wird.
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Das Schmieröl wird der Kupplung über Düsenrohre 10 zugeführt.
Diese spritzen das Schmieröl in äußere Stauräume 11 ein, aus denen es über Bohrungen
12 zu den inneren Stauräumen 13 gelangt. Diese inneren Stauräume grenzen dabei an
den Eingriffsbereich der Verzahnungen.
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Wie sich aus F i g. 2 ergibt, sind bei einem durchgeführten Ausführungsbeispiel
in der Hülse jeweils zehn Schlitze 8 vorgesehen. Die Länge L dieser Schlitze nach
F i g. 3 ist dabei frei bestimmbar und abhängig von den Betriebsdaten der Zahnkupplung,
wie beispielsweise Leistung oder Drehzahl. Darüber hinaus ist die Länge der Schlitze
8 auch für die Drehelastizität der Kupplung maßgebend.
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Die Kupplung arbeitet wie folgt. Beim Anlaufen entstehen in den umlaufenden
Teilen Zentrifugalkräfte, welche die einzelnen Ringquerschnitte der Kupplungshülse
mehr oder weniger, im allgemeinen in Abhängigkeit von der Größe des Rotationsradius,
im Durchmesser aufzuweiten versuchen. Die durch die Schlitze 8 vergrößerte radiale
Elastizität der Hülsenendabschnitte 5 a hat dann zur Folge, daß sich nunmehr
unter der Wirkung der Zentrifugalkräfte der unterteilte Ringquerschnitt im Bereich
5 a stärker aufzuweiten vermag als der nicht unterteilte Ringquerschnitt der die
Innenverzahnung aufweisenden Ansätze der Kupplungsnaben 3. Daraus ergibt sich, daß
mit steigender Drehzahl nicht nur das im Ruhezustand immer vorhandene fertigungsbedingte
Zahnspiel gänzlich fortfällt, sondern daß auch eine Einstellwirkung in den Zahnflanken
ausgelöst wird, die zu einer stets guten Zentrierung der Kupplungshülse 5 in den
Naben 3 führt.
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Die größere Elastizität der Endabschnitte 5 a der Kupplungshülse 5
ermöglicht es darüber hinaus, daß beim Einleiten eines Drehmomentes die zentrierende
Wirkung der aus dem Moment resultierenden Zahnkräfte voll zur Wirkung kommen kann,
da immer, auch bei sehr großen Drehzahlen, Spielfreiheit in den Zahneingriffen der
Kupplungsverzahnungen vorhanden ist.
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Die Erhöhung der zentrischen Einstellbarkeit der Kupplung durch die
beschriebenen Maßnahmen hat außerdem zur Folge, daß eine gleichmäßige Kräfteverteilung
auch bei hohen Drehzahlen vorhanden ist, somit alle Zähne gleichermaßen an der Übertragung
des Drehmomentes beteiligt sind und dadurch die Lebensdauer der Kupplung, hinsichtlich
ihrer Zahnflankenfestigkeit, beträchtlich vergrößert wird.
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Es ist nicht zwingend notwendig, die Schlitze 8 in der Hülse 5 vorzusehen.
Wie F i g. 4 zeigt, können ebenso die Kupplungsnaben 3' axial von ihren voneinander
ab liegenden Stirnseiten 21 her geschlitzt sein. Dabei sind die Kupplungsnaben 3'
dann mit außenliegenden Zähnen 6' versehen, die sich an den voneinander ab liegenden
Nabenstirnseiten 21 befinden. Die Zähne 6' kämmen mit den innenliegenden Zähnen
7' der Kupplungshülse 5'.