DE19712302C2 - Flexibles Kupplungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein flexibles Kupplungselement zum drehfesten Verbinden eines treibenden Teils mit einem angetriebenen Teil gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruchs 1.

Derartige scheibenartig ausgebildete Kupplungselemente werden vor allem dort eingesetzt, wo eine Drehverbindung zwischen zwei in einem geringen Winkel zueinander angeord­ neten rotierenden Teilen geschaffen werden soll. Die radi­ al nach außen vorstehenden Laschen, an denen die rotieren­ den Teile befestigt sind, ermöglichen hierbei eine leichte Verwindung des Kupplungselements quer zu dessen Haupt­ ebene, um den Fluchtungsfehler der Teile auszugleichen.

Es sind Kupplungen aus Stahl bekannt, welche Fluchtungs­ fehler bis maximal 1° erlauben. Nachteilig ist hierbei, dass sie insbesondere für größere Drehmomente relativ groß dimensioniert werden müssen und ein hohes Gewicht auf­ weisen.

Aus der DE 40 33 596 C1 ist ein flexibles Kupplungsele­ ment aus einem Faserverbundwerkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Dieses bekannte Kupplungselement weist eine mittlere Faserschicht und zwei äußere Faser­ schichten auf. Die Fasern der mittleren Faserschicht ver­ laufen dort parallel, d. h. mit einer Faserorientierung von 0°, zu einem bestimmten Stegbereich, während die äußeren Faserschichten mit einer Faserorientierung von ±30°C bis 60° zur Steglängsrichtung vorgesehen sind. Nachteilig ist bei diesem bekannten Kupplungselement, dass die übertrag­ baren Drehmomente bei einem größeren Winkelversatz, bei­ spielsweise 3° zwischen antreibender und angetriebener Welle, stark abnehmen. In gleicher Weise wird hierbei die Lebensdauer des Kupplungselements stark verringert.

Aus der DE 31 08 007 C2 ist eine elastische Wellenkupp­ lung mit verschiedenen Faserschichten bekannt, die abwech­ selnd eine Faserorientierung von ±45° und 0/90° haben. Auch bei dieser bekannten Wellenkupplung ist das übertrag­ bare Drehmoment, gemessen an der Baugröße der Wellenkupp­ lung und insbesondere bei stärker werdendem Fluchtungs­ fehler zwischen den beiden zu verbindenden Teilen, nicht optimal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein flexibles Kupplungselement zu schaffen, das auch bei einem größeren Winkelversatz zwischen antreibendem und angetriebenem Teil hohe Drehmomente übertragen kann und dabei eine lange Lebensdauer aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Kupplungselement weisen sämtli­ che Faserschichten ausschließlich Faserorientierungen von 0°, +60° und -60°, mit einem Toleranzbereich von ±10°, in Bezug auf die Verbindungsgeraden von einem Befestigungs­ auge zu dem in Umfangsrichtung jeweils übernächsten Be­ festigungsauge auf.

Beim erfindungsgemäßen Kupplungselement wird die Faseraus­ richtung somit gezielt so gewählt, dass zumindest im we­ sentlichen keine Faser parallel zu einer Verbindungsgera­ den zwischen zwei benachbarten Befestigungsaugen oder von den Befestigungsaugen radial nach innen zum Drehmittel­ punkt des Kupplungselements verläuft. Vielmehr verlaufen die Fasern ausschließlich von einem Befestigungsauge zum jeweils übernächsten Befestigungsauge, so dass die ein­ zelnen Fasern bei mehreren Schichten eine Art Fachwerk­ struktur bilden. Hierdurch ergibt sich eine Anordnung, die eine relativ leichte Verbiegung der Laschen quer zur Kupp­ lungselementhauptebene und gleichzeitig eine hohe Drehmo­ mentübertragung in Drehrichtung durch direkte Kraftein­ leitung in Längsrichtung der Fasern ermöglicht.

Das erfindungsgemäße Kupplungselement kann aufgrund der speziellen Faserrichtungswahl somit auch bei größeren Fluchtungsfehlern von beispielsweise 3° eingesetzt werden, wobei auch bei derartigen Fluchtungsfehlern noch wesent­ lich größere Drehmomente übertragen werden können, als dies bei bekannten Kupplungselementen derselben Baugröße möglich ist. Für vorgegebene Drehmomente können das Ge­ wicht und die Baugröße wesentlich verringert und die Le­ bensdauer des Kupplungselements bedeutend erhöht werden.

Obwohl gewisse Toleranzen im Bereich von ±10° möglich sind, ist es bevorzugt, wenn sowohl die Fasern als auch die von einem Befestigungsauge zum jeweils übernächsten Befestigungsauge gehenden Verbindungsgeraden genau in der 0°-, +60°- und -60°-Richtung liegen.

Vorteilhafterweise besteht der Faserverbundwerkstoff aus mindestens einer Faserschichtgruppe, die zwei Untergruppen mit je drei Faserschichten aufweist, wobei die Faserorien­ tierungen der einen Untergruppe spiegelsymmetrisch zu denjenigen der anderen Untergruppe sind. Beispielsweise kann das Kupplungselement aus einer oder mehreren Faser­ schichtgruppen mit jeweils 6 Faserschichten bestehen, deren Faserrichtungen in der Reihenfolge 0°, +60°, -60°, -60°, +60°, 0° angeordnet sind. Durch die spiegelsymme­ trisch angeordneten Faserrichtungen der ersten Untergruppe (0°, +60°, -60°) und der zweiten Untergruppe (-60°, +60°, 0°) wird vermieden, dass sich das Kupplungselement durch Eigenspannungen verzieht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Kupplungselement in den von den Verbindungsgeraden einge­ schlossenen Dreiecksflächen Aussparungen auf, die das Gesamtgewicht des Kupplungselements und dessen träge Masse verringern. Dies ist deshalb möglich, da der wesentliche Kraftfluss insbesondere im Bereich längs der Verbindungs­ geraden auftritt, während in den von den Verbindungs­ geraden eingeschlossenen Dreiecksbereichen nur vernachläs­ sigbare Kräfte einwirken.

Vorteilhafterweise sind die Befestigungsaugen mit Metall­ buchsen ausgekleidet, an deren Enden Anlagescheiben größe­ ren Durchmessers vorgesehen sind, welche von verschiedenen Seiten an das Kupplungselement zur Anlage bringbar sind. Vorteilhafterweise bestehen diese Metallbuchsen aus Hülsen mit Gegenscheibe oder Gewindehülsen, an denen eine Ring­ mutter aufschraubbar ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Laschen durch Umfangsaussparungen voneinander getrennt, die eine bogenförmig zum Kupplungselementmittelpunkt hin gekrümmte Außenkontur haben. Die bogenförmige Außenkontur vermeidet Spannungsspitzen im Bereich der Umfangsaussparungen. Wei­ terhin kann durch die Tiefe und Breite der Umfangsaus­ sparungen das Verhältnis der Biegeweichheit der Laschen zur Drehmomentfestigkeit in Umfangsrichtung bestimmt wer­ den.

Vorteilhafterweise besteht das Kupplungselement aus mit Carbonfasern verstärkten Kunststoffen (CFK). Es ist jedoch auch möglich, glasfaserverstärkte Kunststoffe (GFK) oder eine Kombination von CFK und GFK zu verwenden. Vorteilhaf­ terweise werden sogenannte Prepreg-Schichten mit unidirek­ tional ausgerichteten Fasern verwendet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielshaft näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1: eine perspektivische Ansicht des erfin­ dungsgemäßen Kupplungselements,

Fig. 2: das Kupplungselement von Fig. 1, wobei die Faserrichtungen der verschiedenen La­ gen verdeutlicht sind,

Fig. 3: einen Querschnitt durch eine Lasche im Bereich eines Befestigungsauges,

Fig. 4: drei übereinanderliegende Faserschichten zur Verdeutlichung der Faserrichtungen beim erfindungsgemäßen Kupplungselement, und

Fig. 5: eine schematische Draufsicht auf die Fa­ serschichten von Fig. 4 zur Verdeutli­ chung der Winkelangaben.

Aus Fig. 1 ist ein Kupplungselement 1 ersichtlich, das die Form einer ebenen, dünnen Scheibe hat und sechs radial nach außen vorstehende Laschen oder Lappen 2 aufweist. Das Kupplungselement 1 ist um eine quer zu ihrer Hauptebene verlaufende Mittelachse 3 drehbar.

Die sechs Laschen 2 sind regelmäßig über den Umfang des Kupplungselements 1 angeordnet und weisen in ihrem radial nach außen überstehenden Bereich jeweils ein Befestigungs­ auge 4, 5, 6, 7, 8, 9 in der Form einer durchgehenden Bohrung auf. Die Befestigungsaugen 4-9 liegen auf dem­ selben Umfangskreis um die Mittelachse 3 sowie in Umfangs­ richtung mittig in der zugeordneten Lasche 2. Drei der Befestigungsaugen, beispielsweise die Befestigungsaugen 4, 6, 8 dienen zur Befestigung eines nicht dargestellten, rotierenden treibenden Teils, während die übrigen Befesti­ gungsaugen, beispielsweise die Befestigungsaugen 5, 7, 9, zur Befestigung eines nicht dargestellten, rotierenden angetriebenen Teils dienen, das auf der gegenüberliegenden Seite des Kupplungselements 1 angeordnet ist. Die Befesti­ gung des treibenden und angetriebenen Teils erfolgt mit­ tels Bolzen oder Schrauben, welche durch die Befestigungs­ augen 4-9 hindurchgeführt werden.

Da die Laschen 2 radial nach außen vorstehende Abschnitte darstellen und das Material des Kupplungselements 1 aus einem in Querrichtung zur Kupplungselementhauptebene in gewissem Maß flexiblen Faserverbundwerkstoff aus mit Car­ bonfasern verstärktem Kunststoff (CFK) besteht, können die Laschen 2 bis zu einem gewissen Grad quer zur Kupplungs­ elementhauptebene abgebogen werden. Hierdurch ist es mög­ lich, auch ein treibendes und angetriebenes Teil mitein­ ander zu koppeln, deren Achsen in einem gewissen Winkel von beispielsweise 0°-3° zueinander angeordnet sind.

Zwischen den Laschen 2 sind äußere Umfangsaussparungen oder Einbuchtungen 10 vorgesehen, so dass die konvex ge­ krümmten Außenkonturen im Bereich der Laschen 2 durch konkav gekrümmte Abschnitte verbunden werden. Die Tiefe und Breite der Umfangsaussparungen 10 bestimmt die Biege­ weichheit der Laschen 2 quer zur Kupplungselementhaupt­ ebene und die Drehfestigkeit in Umfangsrichtung.

Das Kupplungselement 1 weist ferner sechs Aussparungen 11 auf, die lediglich zur Gewichtsreduzierung dienen und auf einem Kreis um die Mittelachse 3 herum liegen, der einen geringeren Durchmesser als derjenige Kreis hat, auf dem die Befestigungsaugen 4-9 liegen. Der Mittelpunkt einer jeden Aussparung 11 liegt auf einer Verbindungslinie zwi­ schen jeweils einem Befestigungsauge 4-9 und dem Mittel­ punkt des Kupplungselements 1.

Zur weiteren Gewichtsreduzierung weist das Kupplungsele­ ment 1 eine Mittenaussparung 12 auf, die im dargestellten Beispiel eine sechseckige Form mit abgerundeten Ecken­ bereichen hat. Die geraden Randbereiche der Mittenaus­ sparung 12 liegen den Laschen 2 gegenüber, während die Ecken der tiefsten Stelle der Umfangsaussparungen 10 ge­ genüberliegen.

Das Kupplungselement 1 besteht aus einer oder mehreren Faserschichtgruppen, wobei jede Faserschichtgruppe aus insgesamt sechs Faserschichten besteht, die längs der Mittelachse 3 hintereinander und aufeinander angeordnet sind. Drei dieser Faserschichten 13, 14, 15 sind in Fig. 4 dargestellt. Jede Faserschicht 13, 14, 15 besteht aus sogenannten Prepregs, d. h. harzimprägnierten Platten mit zugfesten Fasern, insbesondere Carbonfasern, wobei die Fasern einer jeden Faserschicht 13, 14, 15 unidirektional ausgebildet sind. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist jede Faserschicht 13, 14, 15 zwei übereinanderlie­ gende Faserlagen auf.

Anstelle von Prepregs ist es möglich, auch genähte Trockengelege zu verwenden, bei denen die unidirektionalen Fasern mittel eines Kunststoffadens zusammengehalten sind und erst nachträglich in Harz eingebettet werden.

Wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich, erstrecken sich die unidirektionalen Fasern der zweiten Faserschicht 14, welche sich unterhalb der obersten Faserschicht 13 befin­ det, in einem Winkel von -60° relativ zur Richtung der unidirektionalen Fasern der obersten Faserschicht 13, wenn deren Richtung mit 0° definiert wird. Die unidirektionalen Fasern der dritten Faserschicht 15 erstrecken sich in einem Winkel von +60° relativ zur obersten Faserschicht 13. Diese drei Faserschichten 13, 14, 15 bilden jedoch nur die Hälfte der insgesamt aus sechs Faserschichten beste­ henden Faserschichtgruppe, aus der das Kupplungselement 1 aufgebaut ist. Die zweite, nicht dargestellte Hälfte einer derartigen Faserschichtgruppe besteht wiederum aus drei Faserschichten 15, 14, 13, welche im gleichen Winkel wie die Faserschichten 13, 14, 15 ausgerichtet, jedoch in spiegelsymmetrischer Reihenfolge zu diesen angeordnet sind. Eine vollständige Faserschichtgruppe besteht somit aus sechs Faserschichten 13, 14, 15, die nacheinander folgende Faserrichtungen haben: 0°, -60°, +60°, +60°, -60°, 0°. Die spiegelsymmetrische Anordnung der zwei aus den drei Faserschichten 13, 14, 15 bestehenden Untergruppen verhindert ein unerwünschtes Verziehen des gesamten Fa­ serverbundes.

Wie bereits erwähnt, kann das Kupplungselement 1 auch aus einer Mehrzahl derartiger, jeweils aus sechs Faserschich­ ten 13, 14, 15 bestehender Faserschichtgruppen aufgebaut sein.

Es ist ohne weiteres möglich, die einzelnen Faserschichten 13, 14, 15 auch in der Reihenfolge 0°, +60°, -60°, -60°, +60°, 0° anzuordnen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, wird das Kupplungselement 1 derart aus der fertigen Faserverbundplatte hergestellt, dass die Verbindungsgeraden zwischen einem Befestigungs­ auge und dem jeweils übernächsten Befestigungsauge aus­ schließlich in der 0°-, +60°- oder -60°-Richtung liegen. Die Verbindungsgeraden sind in Fig. 2 mit dicken Linien eingezeichnet. Beispielsweise verlaufen die Verbindungs­ geraden zwischen den Befestigungsaugen 4 und 6 sowie zwi­ schen den Befestigungsaugen 7 und 9 parallel zu den Fasern der ersten und sechsten 0°-Faserschicht 13. Die Verbin­ dungsgeraden zwischen den Befestigungsaugen 5 und 7 sowie zwischen den Befestigungsaugen 4 und 8 verlaufen parallel zu den Fasern der zweiten und fünften -60°-Faserschicht 14. Die Verbindungsgeraden zwischen den Befestigungsaugen 6 und 8 und zwischen den Befestigungsaugen 5 und 9 ver­ laufen parallel zu den Fasern der dritten und vierten +60°-Faserschicht 15. Alle Fasern der einzelnen Faser­ schichten 13, 14, 15 verlaufen somit ausschließlich par­ allel zu Verbindungsgeraden von einem Befestigungsauge zum jeweils übernächsten Befestigungsauge, während keine Faser von den Befestigungsaugen 4-9 zum Mittelpunkt des Kupp­ lungselements 1 hin verläuft. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ergeben die Fasern somit einen fachwerkartig aufgebauten Faserverbund, bei dem die dem Antrieb dienenden Befesti­ gungsaugen und die dem Abtrieb dienenden Befestigungsaugen jeweils ein gleichseitiges Dreieck bilden, dessen Seiten mit den jeweiligen Faserrichtungen der Faserschichten 13, 14, 15 zusammenfallen.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, sind die Aussparungen 11 mittig in den von den Verbindungsgeraden eingeschlossenen Dreiecksflächen 16 angeordnet, die sich zwischen dem je­ weiligen Befestigungsauge 4-9 und der Mittenaussparung 12 befinden. Im Bereich der Aussparungen 11 werden nur relativ geringe Kräfte in Umfangsrichtung übertragen, so dass die Aussparungen 11 die Belastbarkeit des Kupplungs­ elements 1 in Umfangsrichtung nicht nennenswert beein­ trächtigen.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, können die Befestigungsaugen 4-9 mit hindurchgehenden Metallbuchsen 17 ausgekleidet sein, welche an einem Ende eine Anlagescheibe 18 in der Form eines verbreiterten Kopfes und am gegenüberliegenden Ende eine Anlagescheibe 19 aufweist, die beispielsweise auf ein Außengewinde der Metallbuchse 17 von der gegen­ überliegenden Seite des Kupplungselements 1 her auf­ schraubbar ist. Die Anlagescheiben 18, 19 liegen somit von gegenüberliegenden Seiten an der Faserverbundplatte an und halten die Metallbuchsen 17 auf zuverlässige Weise in den Befestigungsaugen 4-9. Im Gegensatz zu eingepressten Buchsen bietet diese Ausführungsform den Vorteil, dass keine unerwünscht hohen, radial nach außen wirkenden Kräf­ te auf die Befestigungsaugen 4-9 ausgeübt werden.

Claims (8)

1. Flexibles Kupplungselement zum drehfesten Verbinden eines treibenden Teils mit einem angetriebenen Teil, be­ stehend aus einem Faserverbundwerkstoff, der eine Mehr­ zahl von Faserschichten (13, 14, 15) aufweist, wobei das Kupplungselement (1) scheibenartig ausgebildet ist und sechs radial vorstehende, über den Umfang gleichmäßig verteilte Laschen (2) aufweist, in denen Befestigungsaugen (4-9) zur Ankopplung des treibenden und angetriebenen Teils vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß sämtli­ che Faserschichten (13, 14, 15) ausschließlich Faserorien­ tierungen von 0°, +60° und -60°, mit einem Toleranzbereich von +/-10°, in Bezug auf die Verbindungsgeraden von einem Befestigungsauge (4-9) zu dem in Umfangsrichtung jeweils übernächsten Befestigungsauge (4-9) aufweisen.

2. Kupplungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Faserverbundwerkstoff aus mindestens einer Faserschichtgruppe besteht, die zwei Untergruppen mit je drei Faserschichten (13, 14, 15) aufweist, wobei die Faserorientierungen der einen Untergruppe spiegelsymme­ trisch zu denjenigen der arideren Untergruppe sind.

3. Kupplungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kupplungselement (1) in den von den Verbindungsgeraden eingeschlossenen Dreiecksflächen (16) Aussparungen (11) aufweist.

4. Kupplungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Aussparungen (11) mittig in den Dreiecks­ flächen (16) angeordnet sind.

5. Kupplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß alle Befestigungsaugen (4 -9) auf demselben Umfangskreis liegen und in Umfangs­ richtung regelmäßig beabstandet sind.

6. Kupplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigungsaugen (4 -9) mit Metallbuchsen (17) ausgekleidet sind, an deren Enden Anlagescheiben (18, 19) größeren Durchmessers vor­ gesehen sind, welche von verschiedenen Seiten an das Kupp­ lungselement (1) zur Anlage bringbar sind.

7. Kupplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Laschen (2) durch Umfangsaussparungen (10) voneinander getrennt sind, die eine bogenförmig zum Kupplungselementmittelpunkt hin gekrümmte Außenkontur haben.

8. Kupplungselement nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungselement (1) aus mit karbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK), glasfa­ serverstärkten Kunststoffen (GFK) oder einer Kombination hieraus besteht.