DE19613277C2 - Drehelastische Wellenkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine drehelastische Wellenkupplung, insbesondere für Bootsantriebe mit schnell laufenden Dieselmotoren, bei der als starre Kupplungsteile eine innere Nabe und mit radialem Abstand ein äußerer koaxialer Ringkörper vorgesehen sind, Nabe und Ringkörper an ihren einander zugewandten Mantelflächen etwa radial gerichtete, abwechselnd mit Abstand ineinander greifende axiale Zähne tragen, jeweils zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgende, bei Drehmomentbelastung sich einander nähernde Zähne eine Kammer begrenzen, in der jeweils ein zylindrischer, elastischer Rollkörper durch Berührungsschluss zwischen den Mantelflächen der Nabe und des Ringkörpers gehalten ist und die jeweils eine Kammer begrenzenden Flanken der Zähne entsprechend der Umfangsform des elastischen Rollkörpers konkav ausgebildet sind.

Bootsantriebe mit schnelllaufenden Dieselmotoren im Bereich bis ca. 1300 kW Antriebsleistung stellten in den vergangenen Jahren immer höhere Anforderungen an die Drehelastizität der Kupplungen. Die zunehmende Leistungsdichte bei Motoren und Getrieben war trotz hochelastischer Kupplungen in weichster Ausführung die Hauptursache für das sogenannte "Zähnerattern" im Getriebe. Hierbei handelt es sich im wesentlichen um ein Abheben der Zahnflanken voneinander durch Wechseldrehmomente, die größer sind als das Lastmoment (bei Leerlauf und Teillastbetrieb im Übergangsbereich vom Leerlauf in den Arbeitsbereich), welches unter allen Umständen vermieden werden muss.

Herkömmlichen Kupplungen sind hier Grenzen gesetzt, einerseits durch den zur Verfügung stehenden Elastomerwerkstoff und andererseits durch den vorhandenen Einbauraum. Eine Wellenkupplung, die so drehnachgiebig ist, dass die Anforderungen des Leerlaufbetriebes erfüllt werden, kann nicht das gesamte Drehmoment des Motors im Arbeitsbereich übertragen, und eine Kupplung, die für den Volllastbetrieb geeignet ist, hat für den Leerlaufbetrieb eine zu hohe Steifigkeit, so dass die Gefahr des Zahnabhebens gegeben ist.

Zur Lösung des Problems wurde eine Standardkupplung so modifiziert, dass das hochelastische Element im Bereich Leerlauf bis ungefähr 15% Nenndrehmoment die drehelastischen Anforderungen erfüllt. Als weitere Maßnahme wurde für den eigentlichen Arbeitsbereich ein wesentlich steiferes, ergänzendes Kupplungselement hinzugefügt. Die so entstandene Zwei-Stufen-Kupplung verfügt damit über eine stark unterschiedliche Kennlinie. Im Bereich der ersten Stufe hat die Kupplung eine extreme Drehnachgiebigkeit und bei Überschreiten eines vorher definierten Drehmoments wird diese Stufe überbrückt und die Drehmomentübernahme der zweiten Stufe ist mit einem erheblichen Anstieg der Drehsteifigkeit für den normalen Arbeitsbereich verbunden.

Eine zweistufige drehelastische Wellenkupplung in der vorstehend beschriebenen Art ist durch Verwendung in der Praxis bekannt. Die Ergebnisse der durchgeführten Tests, sowohl hinsichtlich Langzeiterprobung auf dem Prüfstand als auch durch Erprobung im Bootseinsatz haben gezeigt, dass von der ausgewählten Konzeption die technischen Anforderungen in jeder Hinsicht erfüllt werden. Nachteilig ist jedoch die Vielzahl unterschiedlicher Bauteile.

Aus der deutschen Auslegeschrift DE 10 67 644 B ist eine gattungsgemäße Wellenkupplung mit in symmetrischen Kammern angeordneten elastischen Rollkörpern bekannt. Die vorgeschlagene Bauweise bedingt kurze Arbeitswege und eine hohe Progression der Kupplungselastizität und daher nur eine geringe Eignung zur Dämpfung plötzlich anfallender Drehmomentschwankungen aus An- und Abfahrvorgängen.

Eine ähnliche elastische Wellenkupplung ist auch aus der Patentschrift DE 850 099 C bekannt. Bei den elastischen Körpern, welche ebenfalls zylindrisch ausgeführt sind. Besonders nachteilhaft an dieser Ausführungsform ist die lokal äußerst hohe Beanspruchung der nicht als Rollkörper ausgebildeten elastischen Dämpfungskörper an den sich ergebenden Spalten zwischen den Nabenzähnen und der nach innen gerichteten Mantelfläche.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine drehelastische Wellenkupplung in einer vereinfachten Ausführung zu schaffen, die in einem vergleichbaren Bauraum die gleichen technischen Eigenschaften wie die vorbekannte zweistufige Wellenkupplung bietet, jedoch unter drastischer Reduzierung der benötigten Bauteile eine entsprechende Verringerung der Herstellungskosten ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die Wellenkupplung aus einer geringen Anzahl von konstruktiv einfach aufgebauten Teilen besteht und kostengünstig herstellbar ist. In ihrer Wirkungsweise bietet sie gleich gute technische Eigenschaften wie eine herkömmliche zweistufige Wellenkupplung mit extrem progressiver Kennlinie.

Die bei Drehmomentbelastung in der ersten Phase auf Druck beanspruchten gummielastischen Rollkörper bauen ihre Reaktionskraft während des Abrollens mit wachsendem Drehwinkel durch zunehmendes radiales Verdrehen auf. Die Drehsteifigkeit der ersten Phase ist also im Wesentlichen proportional der radialen Federsteife der Rollkörper. Eine Abstimmung, der radialen Federsteife in Richtung "weich" ist durch das Anbringen einer axialen Durchgangsöffnung möglich.

Es besteht die Möglichkeit, die Wellenkupplung so zu gestalten, dass aus der Stellung "0" heraus eine definierte Drehsteifigkeit vorhanden ist. Dies wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass die Rollkörper im Querschnitt elliptisch ausgebildet werden, wobei die größere Ellipsenachse etwa tangential zur Mantelfläche der Nabe verläuft. Durch den Einsatz elliptischer Rollkörper wird zunächst der Formwiderstand der Rollkörper ausgenutzt, um in der Stellung "0" eine definierte Drehsteifigkeit zu erzeugen. Anschließend wälzen sich die elliptischen Rollkörper genauso ab wie zylindrische Rollkörper und die Wellenkupplung hat insofern die gleiche Wirkungsweise wie eine Wellenkupplung mit kreisrunden Rollkörpern.

Für eine einfache Grundausführung der Wellenkupplung sind drei Rollkörper aus Elastomerwerkstoff, z. B. Gummi, ausreichend. Dabei wird die Anordnung der Rollkörper zweckmäßigerweise so gewählt, dass aufgrund des relativ großen Durchmessers der Rollkörper der Radius der inneren Rollfläche an der Nabe sich zum Radius der äußeren Rollfläche wie 1 : 3 verhält. Während also die Relativbewegung der Rollkörper an der Mantelfläche des äußeren Ringkörpers relativ gering ist, führt das Abrollen auf der Innenrollfläche an der Nabe im Verhältnis 1 : 3 in Verbindung mit dem kleinen Radius zu einem so großen Drehwinkel der Wellenkupplung, dass die gewünschten Anforderungen erfüllt werden. Nach Beendigung der Abrollbewegung steht noch ein ausreichender Arbeitsweg für die Drehmomentaufnahme im Volllastbetrieb der Wellenkupplung zur Verfügung.

Für den Druckbereich bei Volllastbetrieb ist eine solche Dimensionierung der elastischen Rollkörper vorgesehen, dass ein Maximalmoment von ca. 150 Nm des Nennmomentes erzielbar ist. Bei weiterer Überlastung ist, bedingt durch die ineinander greifenden Zähne von Innen- und Außenteil, eine Durchdrehsicherung gegeben.

Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist an der inneren Mantelfläche des Ringkörpers und an den Sehnenflächen der Nabe je eine die Ausgangsstellung (Ruhestellung der Wellenkupplung) des zugehörigen Rollkörpers bestimmende axiale Rinne eingelassen. Weiter ist eine Rückdrehsicherung vorgesehen, die bei Belastung in negativer Drehrichtung wirksam wird. Zu diesem Zweck ist an den außerhalb der Kammern liegenden Flanken der Zähne wenigstens an einer Flanke von zwei benachbarten Flanken in einer Vertiefung ein Gummikörper gehalten, der gegenüber der Oberfläche der Flanke vorsteht. Durch diese Maßnahme ist eine Begrenzung möglicher Schwingungsamplituden in negativer Drehrichtung gewährleistet.

Nach einer anderen zweckmäßigen Weiterbildung der Erfindung sind die Stirnflächen der elastischen Rollkörper konkav ausgebildet. Auf diese Weise kann eine axiale Ausdehnung der Rollkörper aufgefangen werden, die durch das radiale Verpressen hervorgerufen wird.

Der mit der Erfindung erzielbare Vorteil beruht darauf, dass ein und derselbe elastische Rollkörper in zwei aufeinander folgenden Belastungsphasen derart verschiedenartig beansprucht wird, dass Betriebseigenschaften wie bei einer herkömmlichen zweistufigen Wellenkupplung mit zwei unterschiedlichen elastischen Rollkörpern erreicht werden. Die erfindungsgemäße Wellenkupplung benötigt hierzu ein Minimum an Bauteilen, nämlich zwei starre Kupplungsteile und als Zwischenglied elastische Rollkörper in gleicher Ausführung.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Es zeigt.

Fig. 1. Eine Stirnansicht einer drehelastischen Wellenkupplung gemäß der Erfindung in der Ruhestellung,

Fig. 2 Eine Schnittansicht in den Ebenen der Linien I-I der Fig. 1,

Fig. 3 Eine weitere Stirnansicht der Wellenkupplung unter Drehmomentbelas­ tung bei Volllastbetrieb und

Fig. 4 Eine weitere Stirnansicht der Wellenkupplung bei einer Belastung in negativer Drehrichtung.

Die in der Zeichnungen veranschaulichte drehelastische Wellenkupplung umfasst eine innere einteilige Nabe 1 und als zweiten starren Kupplungsteil einen die Nabe 1 umgebenden Ringkörper 2, der in der Regel dem motorseitigen Antrieb zugeordnet wird und mit diesem, z. B. mit dem Schwungrad, in geeigneter Weise lösbar verbunden wird. Zu diesem Zweck enthält der Ringkörper 2 eine Anzahl von Durchgangsbohrungen 3 für das Einsetzen von Befestigungsschrauben. Die Wellenkupplung hat äußerlich im Wesentlichen die Gestalt einer kreisrunden Scheibe, deren axiale Stärke bei gegebenem Gesamtdurchmesser von der zu übertragenden Leistung abhängt.

Unter der Voraussetzung, dass der Ringkörper 2 der treibende Kupplungsteil ist, dreht sich der Ringkörper 2 während des Betriebes der Wellenkupplung im Uhrzeigersinn.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Wellenkupplung in einer Ausführung mit drei elastischen Rollkörpern 4.1 bzw. 4.2, die einzeln in symmetrischer Anordnung in je einer Kammer gehalten sind. Aus Gründen der Vereinfachung zeigen die Figuren zwei kreisrunde Rollkörper 4.1 und einen elliptischen Rollkörper 4.2. In Wirklichkeit enthält eine elastische Wellenkupplung entweder nur kreisrunde oder nur elliptische Rollkörper. Da die Funktionsteile, die zu einer Kammer gehören untereinander übereinstimmen, wird für die nachfolgende Beschreibung für übereinstimmende Bauteile jeweils nur eine einzige Bezugszahl benutzt.

Am Ringkörper 2 sind innen drei Zähne 5 mit gleichem Winkelabstand voneinander angeformt, deren freie Enden sich bis in die Nähe der Mantelfläche der Nabe 1 erstrecken. Bei jedem Zahn 7 ist die in Drehrichtung zeigende Flanke 6 konkav entsprechend der Kreisform des elastischen Rollkörpers 4.1 bzw. 4.2 ausgebildet, während die gegenüberliegende Flanke 7 eine schwache Konkavform aufweist und etwa in einer Radialebene verläuft.

An der Nabe 1 sind ebenfalls drei Zähne 8 sternförmig angeformt, wobei jeder einzelne Zahn 8 gegenüber einer Radialebene entgegengesetzt zur Drehrichtung der Wellenkupplung gekrümmt ausgebildet ist. Die Flanken 9, 10 der Zähne 8 sind dabei in ihrer Kontur einerseits der Flanke 7 des benachbarten Zahnes 5 des äußeren Ringkörpers 2 und andererseits der Oberfläche des elastischen Rollkörpers 4.1 bzw. 4.2 angepasst.

Die inneren konkaven Flanken 10 der Zähne 8 verlaufen jeweils in Verlängerung einer Kreissehnenfläche 11, wobei die drei Kreissehnenflächen 11 Abschnitte der äußeren Mantelfläche der Nabe 1 bilden. Die kleineren Abschnitte 12 zwischen dem Anfang einer Kreisinnenfläche 11 und der Flanke 9 des jeweils benachbarten Zahnes 8 verlaufen auf einer gemeinsamen Kreislinie. Gegenüber dieser Kreislinie sind die Flächen 11 als Sehnenflächen definiert. Die Sehnenflächen 11 sind dabei so orientiert, dass in der Ruhestellung der Wellenkupplung jede Sehnenfläche 11 etwa rechtwinklig zur Radiallinie durch den Mittelpunkt des jeweiligen elastischen Rollkörpers 4.1 bzw. 4.2 verläuft.

In den Freiräumen zwischen der Nabe 1 und der Innenwand des Ringkörpers 2 ist je ein zylindrischer Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 aus elastischem Material, z. B. Gummi, unter Berührungsschluss gehalten. Zur Fixierung der elastischen Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 in ihrer Ausgangsstellung ist einerseits in der Innenwand des Ringkörper 2 und andererseits in den Kreissehnenflächen 11 je eine axial verlaufende Rinne 13 bzw. 14 eingelassen, die der Form des jeweiligen Rollkörpers 4.1 bzw. 4.2 angepasst ist.

Die elastischen Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 können als Vollkörper ausgebildet sein oder, wie in den Fig. 1, 3 und 4 auch dargestellt, eine axiale Durchgangsöffnung 15 aufweisen.

Je zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgende, bei Drehmomentbelastung sich einander nähernde Zähne 5, 8 begrenzen eine Kammer 17 mit je einem darin befindlichen elastischen Rollkörper 4.1 bzw. 4.2. Wie die Darstellung in Fig. 1 zeigt, ist die Kammer 17 in Umfangsrichtung so bemessen, dass in der Ruhestellung der Wellenkupplung der elastische Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 von den die Kammer 17 begrenzenden Zähnen 5, 8 einen Abstand einhält.

An den Flanken 7 der Zähne 5 ist in einer Vertiefung je ein kissenartiger Gummikörper 18 mit etwa rechteckigem Querschnitt eingelassen.

Die gegenseitige mechanische Drehführung der beiden koaxialen Kupplungsteile 1, 2 kann mit unterschiedlichen Mitteln bewirkt werden. Eine einfache Lösung besteht darin, dass an der Nabe 1 an jeder Stirnseite eine Ringscheibe mittels Schrauben befestigt wird, wobei jede Ringscheibe an ihrem Umfang radial und axial gleitbeweglich an einer Ringschulter des Ringkörpers 2 geführt ist. Durch eine solche Führung mittels außen anliegender Ringscheiben werden zugleich auch die elastischen Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 in ihrer gewünschten axialen Lage fixiert. Die Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 können an ihren Stirnenden eben oder, wie in Fig. 2 dargestellt ist, konkav (16) ausgebildet sein.

Die Arbeitsweise der Wellenkupplung ist folgende:
Eine Antriebsdrehung des Ringkörpers 2 im Uhrzeigersinn bei beginnender Belastung der Wellenkupplung bewirkt ein Abrollen der elastischen Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 einerseits an der Innenwand des Ringkörpers 2 und andererseits an den ebenen Sehnenflächen 11 in Richtung auf den an die Sehnenflächen anschließenden Zähnen 8 der Nabe 1. Hierbei verringert sich allmählich ansteigend der für einen elastischen Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 zur Verfügung stehende Abstand zwischen der Sehnenfläche 11 und der Innenwand des Ringkörpers 2, so dass der elastische Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 zunehmend radial zusammengedrückt wird. Während dieses Abrollvorganges ist die Drehsteifigkeit der Wellenkupplung zwar proportional der radialen Federsteife der elastischen Rollkörper 4.1 bzw. 4.2, die Drehmomentzunahme ist jedoch an den relativ großen, durch das Abrollen der elastischen Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 bedingten Schwenkwinkel der Nabe 1 gekoppelt. Dadurch wächst das übertragbare Drehmoment bis zu einem Verdrehwinkel von bis zu ca. 25° auf einen Wert von ca. 10 bis 15% des Nenndrehmomentes.

Nach Beendigung der Anfangsphase kommen die Zähne 5 und 8 zu beiden Seiten einer Kammer 17 zur Anlage am elastischen Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 (Fig. 3). Jetzt wird dieser direkt druckbelastet, und die Drehmomentzunahme ist damit direkt abhängig von der Radialsteifigkeit der elastischen Rollkörper (1 bzw. 2). Mit zunehmender Drehmomentbelastung werden die elastischen Rollkörper 4.1 bzw. 4.2 mehr und mehr verformt, wie dies aus Fig. 3 ersichtlich ist. Unter diesen Bedingungen ist die Wellenkupplung bis zum Nenndrehmoment und darüber hinaus belastbar.

Bei Verwendung elliptischer Rollkörper 4.2 wird durch den Formwiderstand der Rollkörper 4.2 erreicht, dass sofort aus der Null-Stellung heraus ein geringes Anfangsdrehmoment vorhanden ist, welches bei weiterer Belastung wie bei Verwendung von kreisrunden Rollkörpern 4.1 zunimmt. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich also im 0-Punkt eine Drehsteifigkeit der Kupplung mit einem einstellbaren Wert, der vom Verhältnis der Ellipsenhalbmesser zueinander abhängt.

Fig. 4 zeigt die Begrenzung möglicher Schwingungsamplituden in negativer Drehrichtung. In diesem Fall kommen die Gummikörper 18 an der Flanke 9 der Zähne 8 der Nabe 1 zur Anlage und fungieren so als Rückdrehsicherung.

Claims (9)

1. Drehelastische Wellenkupplung, insbesondere für Bootsantriebe mit schnelllaufenden Dieselmotoren, bei der

• a) als starre Kupplungsteile eine innere Nabe (1) und mit radialem Abstand ein äußerer koaxialer Ringkörper (2) vorgesehen sind,
• b) Nabe (1) und Ringkörper (2) an ihren einander zugewandten Mantelflächen etwa radial gerichtete, abwechselnd mit Abstand ineinander greifende axiale Zähne (5, 8) tragen,
• c) jeweils zwei in Umfangsrichtung aufeinander folgende, bei Drehmomentbelastung sich einander nähernde Zähne (5, 8) eine Kammer (17) begrenzen, in der jeweils ein zylindrischer, elastischer Rollkörper (4.1, 4.2) durch Berührungsschluss zwischen den Mantelflächen der Nabe (1) und des Ringkörpers (2) gehalten ist,
• d) die jeweils eine Kammer (17) begrenzenden Flanken (6, 10) der Zähne (5, 8) entsprechend der Umfangsform des elastischen Rollkörpers (4.1, 4.2) konkav ausgebildet sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die die Kammern (17) begrenzenden Abschnitte der Mantelfläche der Nabe (1) je längs einer im wesentlichen Kreissehnenfläche (11) verlaufen, die sich von einem Ende einer Kammer (17) bis zum abgerundeten Fuß des Zahnes (8) der Nabe (1) am anderen Ende der Kammer (17) erstreckt und
• b) die Zähne an der Nabe sternförmig angeformt sind und gegenüber einer Radialebene in Richtung der Relativdrehung zwischen Nabe und Ringkörper bei Vorzugsdrehrichtung der Wellenkupplung gekrümmt ausgebildet sind.

2. Wellenkupplung nach Anspruch 1 bei der die Rollkörper im Querschnitt kreisrund (4.1) oder elliptisch (4.2) ausgebildet sind, wobei die größere Ellipsenachse etwa tangential zur Mantelfläche der Nabe (1) verläuft.

3. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der Nabe (1) und Ringkörper (2) je drei Zähne (5, 8) tragen.

4. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der die inneren Mantelflächen des Ringkörpers (2) und die Sehnenflächen (11) der Nabe (1) jeweils an den Stellen, an denen die elastischen Rollkörper (4.1, 4.2) im unbelasteten Ruhezustand der Kupplung anliegen, je eine axiale Rinne (13, 14) aufweisen, die in ihrer Kontur der jeweiligen Form der Rollkörper (4.1, 4.2) angepasst sind.

5. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der an den Zähnen (8) der Nabe (1) die der Kammer (17) abgewandte Flanke (9) einerseits und die jeweils benachbarte Flanke (7) der Zähne (5) des Kreisringes (2) andererseits in ihrem Oberflächenverlauf der konkaven Form der Innenflanke (10) der Zähne (8) der Nabe (1) angepasst sind.

6. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Stirnkanten der Zähne (5, 8) sich bis auf ein radiales Spiel bis zur jeweils gegenüberliegenden Mantelfläche der Nabe (1) bzw. des Ringkörpers (2) erstrecken.

7. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die elastischen Rollkörper (4.1, 4.2) mit je einer zentralen Durchgangsöffnung (15) ausgestattet sind.

8. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der an den außerhalb der Kammern liegenden Flanken der Zähne wenigstens an einer Flanke (7) von zwei benachbarten Flanken in einer Vertiefung ein Gummikörper (18) gehalten ist, der gegenüber der Oberfläche der Flanke (7) vorsteht.

9. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die Stirnflächen (16) der elastischen Rollkörper (4.1, 4.2) konkav ausgebildet sind.