DE1575941A1

DE1575941A1 - Kupplungsanordnung zum intermittierenden Antrieb einer Welle

Info

Publication number: DE1575941A1
Application number: DE19671575941
Authority: DE
Inventors: Dodge Ronald Dempster; Crutcher Iii
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1966-04-26
Filing date: 1967-04-22
Publication date: 1970-02-19
Also published as: US3394785A; GB1152976A; FR1513078A; JPS455082B1

Description

Kupplungsanordnung zum intermittierenden Antrieb einer Welle

In Maschinen mit periodisch eingeschalteten Antrieben, wie z.B. kraftangetriebenen Schreibmaschinen, Fernschreibmaschinen, mechanischen Rechenmaschinen mit Kraftantrieb und zahlreichen ähnlichen Maschinen werden üblicherweise kraft« oder formschlüssige Schaltkupplungen wendet, um eine Abtriebswelle, die ihrerseits die betreffende Maschine antreibt, nait einer ständig umlaufenden Antriebswelle für einen bestimmten Drehwinkel, z.B. eine halbe oder eine ganze Umdrehung, zu verbinden.

Derartige, vorwiegend als Halbtouren« oder Eintourenkupplungen ausgebildete Schaltkupplungen bewirken im Moment ihres Eins chaltens eine sehr große Beschleunigung der nunmehr angekuppelten Welle, wobei Stöße und Schwingungen auftreten, die sowohl die Kupplung als auch die übrigen Teile

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stark beanspruchen. Man hat daher vielfach "mit der Schaltkupplung eine elastische Wellenkupplung kombiniert, die in der Phase der größten Drehgeschwindigkeitsänderüng der Abtriebswelle eine gewissen Schlüpf relativ zur ilntriebswelle zuläßt, wobei die Abweichung der*'Winkellage der Abtriebswelle von derjenigen der Antriebswelle proportional zur jeweils übertragenen Antriebskraft ist. Dadurch wird die Stoßbeanspi-uchüng wesentlich verringert und ein weiches Schalten der Abtriebswelle erreicht.

Die Wirkungsweise der elastischen. Kupplungen bei einem solchen'EinlcUppelvorgang beruht im wesentlichen darauf, daß während der Phase der Beschleunigung in den elastischen Elementen der Kupplung Energie gespeichert wird, die wieder abgegeben wird, sobald die Beschieuniguiigs-" kräfte abnehmen. Eine solche Energiespeicherung kann jedoch auch bei solchen■ Kraftübe rtragungseinriehtungen auftreten, die ohne elastische Kupplung ausgebildet sind, wie z.B. in Antriebsriemen oder auch in an sich starren Teilen, die aber unter Belastung einer gewissen elastischen Verformung ausgesetzt sind. Jedoch sind die hierbei wirksamen Faktoren sehr schwer erfaßbar und können zur Beeinflussung der DrehgesHiiAiiKligkeitscharakteristik der Abtriebswelle im allgemeinen nicht herangezogen werden, um so mehr, als sich'diese Energiespeicherung auf eine Anzahl verschiedener Teile verteilt und während des Ablaufs eines Arbeitszyklus mehrfach ändert. Die Kombination einer Schaltkupplung mit .einer elastischen Wellenkupplung hat sich aus diesem Grunde weitgehend durchgesetzt.

Drehelastische Kupplungen, die zwischen der Antriebs- und der Abtriebs-

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seite und in Reihe mit der Schaltkupplung angeordnet sind, speichern somit für eine bestimmte Zeit, nämlich insbesondere für die Dauer der durch den Einkuppelvorgang eingeleiteten Beschleunigungsphase, Energie und geben diese wieder ab, sobald die Beschleunigung beendet ist und somit die dem Antrieb entgegenwirkenden Trägheitskräfte des . zu beschleunigenden Systems nachlassen. Diese Energieabgabe erfolgt an die angetriebene Welle und hat eine gewisse Beschleunigung derselben über die Drehgeschwindigkeit der antreibenden Welle hinaus sowie unkontrollierbare Stöße und Schwingungen zur Folget die für das Arbeiten der anzutreibenden Maschine sehr schädlich sein können.

Für eine einwandfreie Arbeitsweise der vorher genannten Maschinen ist es daher erforderlich, daß die angetriebene, ihrerseits die Maschine oder eine Funktionsgruppe antreibende Welle in ihrem Bewegungsablauf möglichst genau gesteuert wird, mit anderen Worten, daß ihr Drehgeschwindigkeitsverlauf und ihre jeweilige Ruhestellung möglichst genau bestimmbar sind. Dabei kommt es insbesondere darauf an, daß die angetriebene Welle während ihrer Umdrehung bzw. Teildrehung über einen möglichst großen Bereich eines Schaltzyklus die von der antreibenden Welle übertragene Drehgeschwindigkeit möglichst genau einhält.

Es ist bereits auf zahlreiche Arten versucht worden, dieses Problem 11 235

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zu lösen. In der Kupplung nach der USA-Patentschrift 3 212 610 ist eine zusätzliche Klinke vorgesehen, welche die unter der Wirkung ihrer Massenträgheit stehenden angetriebenen Teile mit dem Motor und den übrigen antreibenden Teilen verbindet, wobei ein Überholen während der äußeren Energieübertragung im Hinblick auf die Belastungen, wie z. B/ die auf die Nockenfolge elemente wirksamen Federn, vermieden werden soll. Obwohl hier eine drehelastische Kupplung vorgesehen ist, um die Beschleunigungsbelastung auszugleichen, gelangt die gespeicherte Energie, sobald die Beschleunigungskräfte nachlassen, ohne Rücksicht auf die zusätzliche Klinke unmittelbar in das System. Auch ist die Wirksamkeit der zusätzlichen Klinke durch das unvermeidbare Spiel zwischen den zusammenwirkenden Teilen erheblich begrenzt.

Nach einem weiteren bereits vorgeschlagenen Verfahren wird der anzutreibenden Welle während der Phase der infolge der Entlastung der elastischen Kupplung auftretenden Drehschwingungen ein für den betreffenden Winkelweg der Welle entsprechend einem vorgegebenen Verlauf gesteuertes variables Bremsmoment zugeführt. Zwar ist auf diese Weise eine weitgehende Anpassung an die speziellen betrieblichen Verhältnisse möglich, jedoch kann ein Überschleudern der angetriebenen Welle im Moment der Entlastung der elastischen Kupplungselemente nicht vollständig verhindert werden.

In einer anderen, durch die USA-Patentschrift 1 834 082 bekannten

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Kupplungsanordnung ist eine Ein-Richtungs-Kupplung in Reihe mit der Schaltkupplung geschaltet. Die dort verwendete Schaltkupplung ist nur in einer Richtung, nämlich im Sinne der Antriebsdrehriehtung wirksam/ während sich die Ein-Richtungs-Kupplung nur in entgegengesetzter Richtung einschaltet, um ein Überschleudern der angetriebenen Welle sowie Schwingungen und Stöße zu vermeiden, welche die zusammenwir-. kenden Anschlagteile der Schaltkupplung beanspruchen und deren Bruch zur Folge haben können. Diese bekannte Kupplungsanordnung weist keine elastischen Elemente auf und ist daher nur für Maschinen mit zur Energiespeicherung geeigneten Übertragungselementen und für sehr kleine Übertragungskräfte einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplungsanördnung für Maschinen der genannten Art zu schaffen, die die Nachteile der bekannten Kupplungen vermeidet· und die eine sehr genaue Steuerung der Bewegungscharakteristik der intermittierend angetriebenen Welle gewährleistet. Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst worden, daß die Schaltkupplung in an sich bekannter Weise mit einer elastischen Wellenkupplung in Reihe geschaltet ist und daß die Überholkupplung parallel zur Schaltkupplung und zur elastischen Welle nlcupplung unmittelbar zwischen getriebener Welle und antreibender Welle wirksam ist. Die Kupplungs«- anordnung nach der Erfindung ermöglicht eine außerordentlich kompakte Bauweise und gewährleistet über einen sehr großen Bereich eines

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Schaltzyklus eine genau gleichmäßige Drehgeschwindigkeit der angetriebenen Welle, wobei völlige Unabhängigkeit von weiteren, zur Energiespeicherung geeigneten Elementen des Übertragungssystems besteht.

Besonders zweckmäßig ist es, die Schaltkupplung im Sinne des Kraftflusses hinter der elastischen Wellenkupplung anzuordnen. Dabei ist die konstruktive Ausführung der einzelnen Kupplungen, nämlich der Schaltkupplung, der drehelastischen Wellenkupplung und der Uberholkupplung frei wählbar. Eine besonders gedrängte Bauweise ergibt sich nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch, daß die Schaltkupplung und die elastische Wellenkupplung wie auch die Überholkupplung konzentrisch zur gemeinsamen Achse der antreibenden und der angetriebenen Welle angeordnet sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen sowohl in ihrer schematischen Wirkungsweise als auch in einem Ausführungsbeispiel erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Übertragung einer

linearen Schubbewegung mittels einer Kupplungsanordnung, bei der gemäß der Erfindung eine Schaltkupplung und eine elastische Kupplung in Reihe geschaltet sind, während parallel hierzu eine Uberholkupplung vorgesehen ist,

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Fig, 2 eine schaubildliche, teilweise geschnittene Ansicht einer

Kupplungsanordnung für den intermittierenden Antrieb einer Welle von einer ständig umlaufenden Antriebswelle und

Fig. 3 ein Diagramm zur vergleichenden Darstellung der Drehge

schwindigkeit der angetriebenen Welle im Verlauf eines Arbeitszyklus ohne und mit parallel geschalteter Überhol« kupplung.

Anhand von Fig. 1 wird zunächst das Wirkungsprinzip der in Fig, 2 dar« gestellten Vorrichtung erläutert. Ein Ausgang 1 wird von einem Eingang 2 mittels einer zwischengeschalteten einrückbaren Kupplung 3 angetrieben. In Reihe mit der Kupplung 3 ist eine mit einem Dämpfuhgszylinder 4a ausgestattete elastische Kupplung 4 angeordnet» Zu den Kupplungen 3 und 4 ist ein Ein-Richtungs-Antrieb. 5 parallel geschaltet.

Beim Einrücken der Kupplung 3 bewirkt die auf den Ausgang 1 zu übertragende Beschleunigungskraft unter der Gegenwirkung der Trägheitskräfte das Wirksamwerden der elastischen Kupplung 4, indem sich deren elastische Glieder zusammendrücken, wodurch die auf den Ausgang 1 übertra*- genen Beschleunigungskräfte gemildert werden. Dieser Vorgang des vorübergehenden Nachlaufes des Ausgangs 1 relativ zum Eingang 2 wird

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durch den Ein-Richtungs«Antrieb 5 nicht gehindert da dieser ein Vor« eilen des Eingangs 2 gegenüber dem Ausgang 1 ermöglicht»

Nach Beendigung der Beschleunigüngsphase wirken die Trägheitskräfte vom Ausgang 1 nicht mehr länger auf die elastische Kupplung 4, und die durch das Zusammendrücken der elastischen Elemente in der Kupplung 4 gespeicherte Energie würde nun an sich wieder freigegeben, indem 4e¥ der Ausgang 1 eine schnellere Drehbewegung ausführt als der Eingang Dies wird jedoch durch den Ein-Richtungs-Antrieb 5 verhindert, der jegliches Vorauseilen des Ausgangs 1 relativ zum Eingang 2, also eine Überholbewegung im Sinne des Pfeiles D, unmöglich macht. Die von der elastischen Kupplung 4 abgegebene Energie bewirkt somit das Eingerücktbleiben des Ein-Richtungs-Antriebs 5, also eine starre Drehverbindung des Eingangs 2 mit dem Ausgang 1, solange die elastischen Elemente der elastischen Kupplung 4 sieh entspannen.

Wenn die Kupplung 3 gelöst wird (wie durch strichpunktierte Linie darge-

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stellt), kann sich die elastische Kupplung 4 .rechtsseitig frei entspannen und steht sodann für einen neuen Einkupplungsvorgang in ihrer Ausgangi« lage bereit. Dieser Entspannungsvörgang wird mittels des Pämpfungszylinders 4a gesteuert, um Stöße undl Vibrationen zwischen den einzelnen beteiligten Teilen zu verhindern.

In der Anordnung gemäß Fig. 2 ist angenommen, daß ein Nockenantrieb

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10 intermittierend eingeschaltet werden soll. Hierzu dient eine Abtriebswelle 11/ auf der eine Nockenscheibe 12 befestigt ist, die einen Nockenfolge arm 13 gegen die Wirkung einer Feder 14 betätigt. Die Abtriebswelle

11 kann über eine Schaltkupplung 30 und eine elastische Kupplung 40-an eine Antriebswelle 20. angekuppelt werden. Parallel zu der Schaltkupplung 30 und der elastischen Wellenkupplung 40 ist eine Überholkupplung 50 an» geordnet, und alle drei Kupplungen 30, 40 und 50 sind konzentrisch zur Achse X-X der Wellen 11 und 20 ausgebildet. Die Antriebswelle 20 wird durch einen Elektromotor 21 über einen Antriebsriemen 22 ständig ange» trieben. Es ist an sich gleichgültig, ob sich die elastische Wellenkupplung 40, wie dargestellt, im Sinne des Kraftflusses von der Antriebswelle 20 zur Abtriebswelle 11 vor der.Schaltkupplung 30 oder hinter dieser befindet. Die .dargestellte Anordnung ist jedoch im allgemeinen zu bevorzugen, da bei der unmittelbaren Verbindung zwischen der Schaltkupplung 30 und der Abtriebswelle 11 die NuIU oder Ausgangslage der Abtriebswelle 11 genauer überwacht werden kann.

Die Schaltkupplung 30 ist als Schlingfederkupplung ausgebildet und enthält eine Schlingfeder 31, deren eines Ende an einem Halbtourenkupplungsring 32 befestigt ist. An einem der Ansätze auf dem Umfang des Halbtourenkupplungs ringes 32 liegt normalerweise eine Klinke 33 an, unter deren Wirkung die Reibungsverbindung zwischen der Schlingfeder 31 und einem Kupplungsträger 34 gelöst ist, der mit der Abtriebsnabe 42 der elastischen Wellenkupplung 40 fest verbunden ist. Das andere Ende der Schlingfeder-31

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ist am Umfang der Abtriebsnabe 35 der Schaltkupplung 30 befestigt und somit mit der Abtriebswelle 11 verdrehfest verbunden. Wenn die Klinke 33 aus dem Halbtourenkupplungsring 32 ausgehoben wird, legt sich die Schlingfeder 31 am Kupplungsträger 34 an und stellt dadurch eine Torsionsverbindung zwischen diesem und der Abtriebsnabe 35 so.wie der Abtriebswelle 11 her. Ein Stoppriegel 36 sichert die Null~ oder Ausgangslage der Abtriebswelle 11.

Die elastische Wellenkupplung 40 enthält eine als Klauenring ausgebildete Antriebsnabe 41, die mit der Antriebswelle 2O'verbunden ist, und eine ebenfalls als Klauenring ausgebildete, und, wie erwähnt, mit dem Kupplungsträger 34 verbundene Abtriebsnabe 42. Zwischen den Klauen 43 und 44 der Antriebsnabe 41 bzw. der Antriebsnabe 42 sind Federelemente 45 zur Energiespeicherung angeordnet. Während der Beschleunigungsphase beim. Einkuppelvorgang werden unter der Wirkung äes Antriebsmoments der Antriebswelle 20 die Federelemente 45 zusammengedrückt, wodurch., sich entsprechend dem zugeführten Drehmoment eine Drehverstellung der Antriebsnabe 41 relativ zur Abtriebsnabe 42 ergibt. Der Betrag dieser Winkelverstellung ist eine Funktion der Beschleunigungskräfte, die von der Schaltzeit der Schaltkupplung 30 und der Trägheitscharak^J.e™ ristik des Nockenantriebs lö sowie der Federcharakteristik der Federelemente 45 abhängt. Die Abtriebswelle 11 sowie die mit ihr verbundenen Teile erfahren daher nur eine wesentlich mildere Beschleunigung, wodurch Stöße und Schwingungen in dem System verhindert sind.

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Die Überholkupplung 50 besteht aus einem Außenring 51, der mit der ' '" ■»' Antriebswelle 20 verbunden ist, und einem als abgesetzter Teil ander Abtriebsnabe 35 befindlichen Schaft 52. In einer entsprechenden, als Nockenfläche wirksamen Nut im Außenring 51 sind zylindrische Rollen 53 geführt, die eine Relativbewegung des Schafts 52 relativ zum Außenring 51 in bekannter Weise nur in der einen Drehrichtung erlauben, während in der entgegengesetzten Drehrichtung beide Teile verdrehfest miteinander blockiert werden. Die Überholkupplung 50 ermöglicht ein Vorauseilen der Antriebswelle 20 mit dem Außenring 51 gegenüber der Antriebswelle la und dem Schaft 52, während sie ein schnelleres Drehen der Abtriebswelle 11 gegenüber der Antriebswelle 20 verhindert.

Die Wifkungeweise der in Fig. 2 gezeigten Anordnung ist unter Zuhilfenahme der vorherigen Erläuterung anhand der Fig. 1 leicht verständlich, Zur Auslösung eines Arbeitszyklus, in dessen Verlauf der durch die Nockenscheibe 12 angetriebene Nockenfolgearm 13 eine Hin- und Herbewegung ausführt, wird die Klinke 33 mittels eines Elektromagneten 37 ausgehoben, wpdurch^der Halbtourenkupplungsring 32 freigegeben wird und die Sehlittgfeder 31 sich um den ständig umlaufenden Kupplungsträger 34 anlegt; Bis zu diesem Zeitpunkt Überträgt die Überholkupplung 50 keine Bewegung» da sie &^e Drehbewegung der Antriebswelle 20 in Rich~ tung entgegen dem Uhrzeigersinn relativ zur Abtriebswelle 11 nicht be« hindert» Sobald nach dem Einschalten der Schaltkupplung 30 dieSchling- -'"'-feder 31 wirksam wird, werden infolge der Beschleunigungsträgheit der

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angetriebenen Teile, nämlich insbesondere der Abtriebswelle 11 mit der Nockenscheibe 12, die Federelemente 45 zwischen den Klauen 43 und 44 zusammengedrückt, wodurch sich eine Änderung der Relativlage zwischen der Antriebsnabe 41 und der Abtriebsnabe 42 der elastischen Wellenkupplung' 40 ergibt. Das Maß dieser Relativverstellung, also die Größe der hierbei gespeicherten Energie, hängt ab einerseits von der Drehgeschwindigkeit der Antriebswelle 20 und andererseits von der Massenträgheit der zu beschleunigenden Teile, also der Abtriebswelle mit der Nockenscheibe und den weiteren, der anzutreibenden Anordnung zugeordneten Teilen.

Sobald die Beschleunigungsphase beendet ist, versuchen die Pederelemente 45, sich wieder zu entspannen und die Klauen 44 relativ zu den Klauen im/Jhrzeigersinn zu drehen. Eine solche Relativbewegung zwischen der Abtriebswelle 11 und der Antriebswelle 20 wird jedoch durch die Überholkupplung in der beschriebenen Weise verhindert, ausgenommen ein ganz geringer, durch das Einrückspiel in der Überholkupplung 50 bedingter Winkelbetrag. Sobald in der 'Überholkupplung 50 der wirksame Zustand erreicht ist, wird die Drehgeschwindigkeit der Abtriebs welle 11 durch diejenige der Antriebswelle 20 begrenzt. Diese Wirkung der Überholkupplung 50 ist insbesondere auch von Bedeutung bei einem Antrieb .wie dem in Fig. 2 links gezeigten, bei dem der Nockenfolgearm 13 unter der Wirkung der Feder 14^.nachdem er den höchsten Punkt der Nockenscheibe 12 überschritten hat, ein zusätzliches rechtsdrehendes Moment auf die Abtriebswelle 11 ausübt. Wie bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 ausgeführt,

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wird somit die in den Federelementen 45 enthaltene Energie solange gespeichert, bis die Schaltkupplung wieder gelöst, also die Abtriebsnabe 35 vom Kupplungsträger 34 getrennt ist. Erst jetzt können sich die Feder-

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elemente 45 entspannen und stellen die Klauen 43 in der Drehrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn in ihre Äusgangslage relativ zu den Klauen 44 zurück. Durch die Charakteristik der Federelemente 45 läuft diese Rückstellbewegung gedämpft ab, ■■-.-".

In Fig. 3 ist der Drehgeschwindigkeitsverlauf der angetriebenen Teile eines Systems ohne Überholkupplung (Kurve A) mit demjenigen in einem System mit Überholkupplung (Kurve B) verglichen. Aus dieser Darstellung, in der die Linie C die Nominaldrehgeschwindigkeit der Antriebswelle darstellt, ist ersichtlich, daß das "Überlaufen" und die Drehschwingungen der angetriebenen Teile mittels der beschriebenen Anordnung, wesentlich verringert werden. Die größten Aussehläge zeigt die Kurve B in der Beschleunigungsphase.

Für die konstruktive. Ausführung der Überholkupplung 50, ebenso wie auch für die anderen Kupplungen, kann auch eine andere als die in Fig. 2 dargestellte Kupplungsart gewählt werden, wobei es nur darauf ankommt, daß die Überhölkupplung am Ende der Beschleunigungsphase mit möglichst wenig Einrückspiel wirksam wird.

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Claims

- 14 - 19. April 1967 PATENTANSPRÜCHE

1. Kupplungsanordnung zum intermittierenden Antrieb einer Welle, dj.e zur Ausführung einer Umdrehung bzw. einer Teildrehung mittels einer Sehaltkupplung, z, B, einer Eintourenkupplung, an eine ständig umlaufende Antriebswelle ankuppelbar ist und deren Vorlauf relativ zur Antriebswelle mittels einer Überholkupplung verhindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkupplung (30) in an sich bekannter Weise mit einer elastin sehen Wellenkupplung (40) in Reihe geschaltet ist und daß die Überholkupp«, lung (50) parallel zur Schaltkupplung (30) und zur elastischen Wellenkupplung (40) unmittelbar zwischen getriebener Welle (11) und antreibender Welle (20) wirksam ist.

2, Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkupplung (30) im Sinne des Kraftflusses hinter der elastischen Wellen, kupplung (40) angeordnet ist.

3, Kupplungsanordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltkupplung als Schlingfederkupplung ausgebildet ist.

4, Kupplungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Schaltkupplung (30) und die elastische Wellenkupplung (40)

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als auch die Überholkupplung (50) konzentrisch zur gemeinsamen Achse (XtX) der antreibenden und-der angetriebenen Welle (20; 11) ausgebildet und angeordnet sind,

5» Kupplungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der angetriebenen Welle (11) verbundene Abtriebsnabe (35) der Schaltkupplung (30) abgesetzt (Schaft 52) und als Innenring für die. Überholkupplung (50) Wirksam ist, und daß der Außenring (51) der Über~ holkupplung (50) mit der antreibenden Welle (20) verbunden ist.

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