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Die Erfindung betrifft eine elastische Wellenkupplung für große Schwenkwinkel
mit mehreren zu Paaren zusammengefaßten, drehmomentübertragenden Stahlblechscheiben,
die am äußeren oder inneren Umfang mit den benachbarten Paaren verbunden und am
anderen Umfang frei schwingend zu einem Paar zusammengefaßt sind.
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Eine bekannte Kupplung dieser Art verwendet volle, ungeschlitzte Tellerfedem,
so daß sie sich wegen der Steifigkeit dieser Tellerfedern nicht für größere Abwinklungen
eignet. Diese Starrheit der Kupplung wird noch dadurch erhöht, daß die Tellerfedern
abgewinkeltes oder gewelltes Napfprofil haben. Mit einer solchen Kupplung ergeben
sich ohne Zwang keine großen Schwenkwinkel. Ein entsprechender Widerstand bleibt
auch beim Ausgleich von Parallelversetzungen der zugehörigen Wellen.
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In einer anderen bekannten Kupplung wird eine einzige, mit radialen
Schlitzen versehene Stahlblechscheibe verwendet. Es wird hier das Ende der einen
Welle in einer Bohrung der Endscheibe geführt, so daß wohl axiale Versetzungen der
Wellen, jedoch kaum achsparaUele Versetzungen und nur im geringen Maß Schwenkwinkel
ausgeglichen werden können. Da hier nur eine einzige Stahlblechscheibe verwendet
wird, muß sie, um die Relativbewegungen der Wellen zueinander zu ermöglichen, gewellt
sein, was die bereits erwähnten Nachteile mit sich bringt. Ferner ist hier nachteilig,
daß die Endscheibe vollständig starr ist.
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Bei einer dritten Kupplung sind zwar die Endscheiben auch Federn.
Man verwendet hier jedoch ebenfalls volle Stahlblechscheiben, was die Beweglichkeit
der Kupplung erheblich herabsetzt und nur einen kleinen Teil der mit solchen Stahlblechscheiben
erzielbaren Beweglichkeit mit sich bringt.
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In einer vierten elastischen Kupplung werden speichenradähnlich angeordnete
Federbänder verwendet, die durch Scheibenringe voneinander getrennt sind. Die Einspannung
dieser Konstruktion am inneren und äußeren Umfang der Federstahlbänder bzw. Scheibenringe
wurde zwar befriedigend gelöst. Jedoch lassen sich mit einer solchen Kupplung ebenfalls
nur geringe Schwenkwinkel beherrschen, weil darüber hinaus der Verformungswiderstand
stärker in Erscheinung tritt. Ein freies Schwingen der Federn am inneren oder äußeren
Umfang ist hier nicht möglich.
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Bei einer anderen Kupplung werden die Innen-bzw. Außenumfänge der
zu Paketen zusammengefaßten Stahlblechscheiben verklebt. Dieses Zusammenfassen zu
Paketen ergibt wieder eine erhebliche Steifigkeit.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine elastische Wellenkupplung anzugeben,
die wesentlich größere Schwenkwinkel als seither ermöglicht und dabei die Möglichkeiten
solcher Stahlblechscheiben weiter ausnutzt, ohne eine geringere Sicherheit als seither
in Kauf nehmen zu müssen.
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Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Stahlblechscheiben
in an sich bekannter Weise von einem Umfang, vorzugsweise vom Innenumfang her, mit
mehreren im wesentlichen radialen Schlitzen versehen sind, wobei die einander in
den Paaren gegenüberliegenden, durch die Schlitze gebildeten trapezfönnigen Zungen
an ihren freien Enden fest miteinander verbunden sind.
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Durch die Verwendung solcher einseitig geschlitzter Stahlblechscheiben,
bei denen also am anderen Umfang ein zusammenhängender Ring bestehenbleibt, nimmt
die Kupplung eine größere Nachgiebigkeit in Normalrichtung an, gestattet es aber
dennoch, 5 sehr große Kräfte in Umfangsrichtung zu übertragen. Die entsprechenden
Federsegmente bilden gleichsam Federelemente nach Art eines Trägers von gleicher
Festigkeit in der einen Richtung, während sie leicht als eingespannte und geführte,
in der Normalrichtung dazu hochbiegsame Träger auszubilden sind.
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In weiterer Ausgestaltung der Kupplung nach der Erfindun- verläuft
die Ringfläche der konisch ausgebildeten, federnden Stahlblechscheiben im unbelasteten
Zustand über die ganze Breite geradlinig. Dadurch können die Federn nach jeder Seite
bis zur zulässigen Grenze voll ausschwingen, ohne daß eine Bruchgefahr besteht.
Außerdem haben die Federsegmente dann die überraschende Eigenschaft, trotz ihrer
Breite große Verdrehungswinkel zuzulassen, denn bei der Torsion sehr breiter und
dünner Stäbe spielt die Breite gar keine Rolle mehr, und der Torsionswinkel ist
lediglich der Dicke umgekehrt proportional, bei einer Feder also sehr groß.
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Eine solche Kupplung mit geschlitzten, nicht abgebogenen Stahlblechscheiben
erfüllt somit zuverlässic, die an ein Wellengelenk zu stellenden Forderungen, nämlich
große Belastbarkeit durch Drehmoment und starke Verformbarkeit in jeder anderen
Richtung. Zur Verbindung der Kupplungsglieder mit den kuppelnden Teilen dient
je eine federnde Endscheibe.
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Die Zeichnung veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes.
Darin zeigt F i g. 1 im Schnitt die neue Kupplung zwischen zwei gleichachsigen
Wellen, F i g. 2 die Anordnung der Kupplung nach F i g. 1
zwischen
gegeneinander abgewinkelten Wellen, F i g. 3 eine Teilansicht der in der
neuen Kupplung verwendeten Tellerfedern, F i g. 4 die neue Kupplung zwischen
gegeneinander parallel versetzten Wellen, F i g. 5 die neue Kupplung bei
gegeneinander axial verschieblichen Wellen, F i g. 6 eine Einspannung der
Tollerfederränder im Schnitt, F i g. 7 ein Schnittbild nach der Linie A-A'
aus Fig. 6, F i g. 8 graphisch die erzielbaren Ausschlagwinkel und die Belastbarkeit
durch das Drehmoment für eine Ausführung der neuen elastischen Kupplung.
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Auf der treibenden Welle 1 ist in irgendeiner bekannten Weise
eine Hülse2 befestigt, an der eine federnde Endscheibe 3 befestigt, z. B.
angelötet ist. Ebenso ist mit der getriebenen Welle 14 eine Hülse 13 drehfest
verbunden, an der wiederum eine federnde Endscheibe 12 befestigt ist. Die beiden
Endscheiben sind als volle Scheiben ausgebildet. Zwischen den Endscheiben sind vier
konische Tellerfedern 4, 5, 6, 7 angeordnet. Jede dieser Tellerfedern
ist gemäß F i g. 3 vom inneren Umfang her mit radialen Schlitzen
8 versehen, durch welche trapezförmige Zunggen9 gebildet werden, die am äußeren
Umfang in einer geschlossenen Ringfläche zusammenhängen. Die Tellerfedern sind paarweise
zusammengefaßt, indem die einander gegenüberliegenden Zungen 9 je zweier
Federn 4, 5 bzw. 6, 7 an ihren freien, inneren Enden
10 je paarweise miteinander verbunden sind, so daß jedes Zungenpaar frei
und
unabhängig von den übrigen Zungen der beiden Federn schwingen
und verformt werden kann. Am Außenumfang ist jedes Federpaar 4, 5 bzw.
6, 7
einerseits mit der einen Endscheibe3 bzw. 13 und andererseits
mit dem jeweils axial benachbarten Federpaar verbunden. Selbstverständlich könnte
zwischen den Endscheiben 3, 12 auch nur ein einziges Tellerfederpaar, z.
B. 4, 5, oder auch mehr als die gezeigten zwei Paare 4, 5 bzw.
6, 7 angeordnet sein. Durch diese Anordnung wird die notwendige Torsionswendung
unter gleichzeitiger Verschiebung in radialer Richtung ermöglicht.
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So z. B. werden bei den im Winkel zueinander stehenden Wellen nach
F i g. 2 die in der Zeichnung in der oberen Hälfte der Figur gezeichneten
Tellerfedern gespreizt und die Zungen verbogen, die Federzungen in der unteren Hälfte
werden zusainmengedrängt und ebenfalls verbogen, während an den nicht gezeichneten,
unter 901 gegen die Zeichnungsfläche stehenden Federzungen eine Torsion auftritt.
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Wenn die Wellen 1 und 14 gemäß F i g. 4 parallel gegeneinander
versetzt sind, so führen die Zungen walkartige Bewegungen aus.
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Entfernen sich die Wellenstummel axial voneinander, so nehmen die
Federungen etwa die Form nach F i g. 5 an, während sich beim Nähern der Wellenstummel
zwar die Gesamtlänge der Verbindung verkürzt, die Zungen aber etwas gewölbt werden.
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Wie schon erwähnt, schwächt jede Wölbung das übertragbare Drehmoment.
Es ist deshalb wichtig, daß die Zungen 9 nicht schon in der unbelasteten
Normalstellung Wölbungen aufweisen, daß also Krümmungen der Tellerfedern im Bereich
der Einspannstelle, abweichend von der schematischen Darstellung der F i
g. 1 bis 5, vermieden werden und die Federzungen im Querschnitt geradlinig
verlaufen. Gemäß der Erfindung kann eine solche, vor dem Ausschlag nach der einen
oder anderen Seite völlig gerade Einspannung unter Verwendung von Nieten in der
in F i 6 gezeigten Weise erfolgen. Dabei kommen die Tellerfedern und die
federnden Endscheiben im Bereich ihrer äußeren, und inneren Ränder zwischen den
die Einspannstelle der Federn von außen umfassenden Ringen oder Segmenten und den
von innen zwischen die Federn eingelegten Keilringen oder -segmenten zu liegen,
deren Anlageflächen entsprechend schräg ausgebildet sind. Die Außenflächen der umfassenden
Ringe oder Segmente sind zueinander parallel, so daß die Ringe oder Segmente durch
Niete oder Schrauben, die parallel zur Achse der Kupplung angeordnet werden, zusammengezogen
werden können.
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Die in F i g. 6 dargestellten Zungen der geschlitzten Tellerfedern
4, 5, 6, 7 sind am inneren, freien Ende mit der gegenüberliegenden
Zunge am Rand der Feder starr verbunden und paarweise frei beweglich. Die vollen
federnden konischen Endscheiben 15, 16 werden von einem angeschrägten
Ring 17
unter der Wirkung eines Nietes 19 gegen die gleichfalls angeschrägte
Stirnfläche der Muffe 18 gepreßt, der auf dem zugehörigen Wellenstummel befestigt
ist und der Hülse 2 aus F i g. 1 bis 5 entspricht. Dadurch sind die
Endscheiben 15, 16 gerade bleibend voll eingespannt. Da diese Endscheiben
auch an ihrem Außenrand fest eingespannt sind und keine Schlitze aufweisen, tragen
sie infolge ihrer Starrheit nur wenig zur Elastizität der Kupplung bei. Zum Einspannen
der Außenränder durch die Niete 20 dienen Profilringe 24 und 25, die einander
zu einer V-Rinne ergänzen und die Endscheiben 15
und die Tellerfeder 4 bzw.
die Tellerfedern 5 und 6
bzw. die Tellerfeder 7 und die Endscheibe
16 je paarweise erfassen und gegen einen innenliegenden gelochten Keilring
26 klemmen.
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Ebenso spannen die Niete 21 die inneren, freien Enden der Federzungen
je paarweise mittels eines eine Kehle aufweisenden V-Ringsegmentes 22 und
eines Keilsegmentes 23. Die Tellerfedern sind somit fest eingespannt, ihre
Zungen können aber nach innen ausschwingen, mit ihren inneren Enden sich in radialer
Richtung etwas verschieben und auch tordieren, verwinden, ohne daß die feste Einspannung
gelöst wird.
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Die auftretenden Kräfte sind je nach der Neigung der Federn,
der Schlitzzahl, Blechdicke usw. sehr verschieden. Werden aber etwa Verhältnisse
gewählt, wie sie F i g. 1 und 3 zeigen, so können als Anhaltspunkt
für das zulässige Drehmoment und den maximalen Neigungswinkel die Formeln dienen:
Md = 3,22 - s - D2
und sinus (,x/4) = 0,0012
- Dls, wobei * den Neigungswinkel zwischen den beiden Wellenachsen
in Grad, Md das Drehmoment in Meterkilogramm, s die Dicke in Zentimeter und
D
den Durchmesser in Zentimeter bedeutet.
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Daraus ergibt sich bei z. B. D = 14 cm und
s = 0,1 cm der erstaunlich große Schwenkwinkel von über
351 bei einem Drehmoment von über 40 mkg.
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Das Diagramm der F i g. 8 zeigt Werte, die sich mit solchen
Tellerfederkupplungen nach F i g. 1
und 6 ergeben. Man sieht im eingezeichneten
Beispiel, daß sich schon bei einem kleinen Durchmesser große Drehmomente und sehr
große Ausschlagwinkel ergeben. Die Ausschlagwinkela liegen praktisch eine Zehnerpotenz
höher als die mit anderen elastischen Kupplungen erzielbaren. Die Drehmomente sind
dabei aber recht hoch, z. B. können bei einem Ausschlagwinkel a von etwa
101' mit einer Kupplung von 300 mm Durchmesser bei einer Blattstärke von
10 mm 3000 mkg erreicht werden. Das ist bei 3000 Umdrehungen
pro Minute eine Leistung von N = (M/716) - n
= (3000/716) - 3000
= 4,2 - 3000 = 12600 PS.
Man kann
also mit diesen elastischen Kupplungen praktisch jede geforderte Leistung und auch,
da man ja leicht zwei Gelenke in Serie schalten kann, in jeder geforderten Abwinkelung
übertragen.
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Damit ist eine Kupplung geschaffen, die so weitgehend elastisch ist,
daß sie ohne weiteres Gelenkwellen ersetzen kann, wobei ihr Aufbau viel einfacher
ist und die Gestehungskosten wesentlich niedriger sind.
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Wie schon in der Beschreibung verschiedentlich angedeutet worden ist,
kann die in der Zeichnung dargestellte und vorstehend erläuterte Ausführung in verschiedenster
Weise abgewandelt werden. So kann man die Winkel, Längen und Dicken weitgehend ändern,
man kann auch die Anzahl der in einer Kupplung zusammengefaßten Tellerfedern fast
beliebig steigern. Auch können die federnden Endscheiben 3, 12 bzw.
15, 16 zur Federung herangezogen
werden, indem sie Radialschlitze
erhalten. In diesem Fall müßte man auch den Wellenstummel, an dem die Endscheibe
angeschweißt ist, etwas schlitzen, also beweglich machen. Wie schon aus den Figuren
ersichtlich, kann die federnde Endscheibe flach oder konisch ausgebildet sein. Sie
kann auch an einer Antriebsseheibe, statt an einer Welle befestigt sein. In Ausnahmefällen
kann die Schlitzung der Federn vom äußeren Rand her erfolgen. Statt rein radialer
Schlitze können auch schräge i
Schlitze vorgesehen sein.
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Wenn diese in Umfangsrichtung steife Kupplung auch in der Umfangsrichtung
federn, z. B. Schwingungsstöße ausgleichen soll, so können die verwendeten Tellerfedern
leicht mit anderen bekannten i
Federn kombiniert werden, z. B. mit einer Stahlstiftkupplung.
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Die Lebensdauer der Kupplung kann beliebig hoch angesetzt werden,
wenn die entsprechende Wöhlerkurve beachtet wird.