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Die Erfindung betrifft eine Überlastkupplung, insbesondere
für landschaftliche
Arbeitsmaschinen mit einer Antriebswelle und einer mit dieser über eine Kupplung
zumindest zeitweise in Antriebsverbindung stehenden Abtriebswelle,
wobei die Kupplung ein in eine Arretierung einrastendes federbeaufschlagtes Fliehkraftgewicht
aufweist, welches den ausgekuppelten Zustand der Überlastkupplung
arretiert, wobei das Fliehkraftgewicht in mindestens einem axial
verschiebbaren und druckfederbeaufschlagten Kupplungsglied geführt ist.
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Sicherheits- oder Überlastkupplungen
haben die Aufgabe, Maschinen durch Begrenzen des übertragbaren
Drehmoments vor Überlastung
zu schützen
und dadurch Beschädigungen
an Werkzeugen und Maschinen zu verhindern. Es sind vielfältige Überlastkupplungen
bekannt, die bei plötzlich
auftretenden Massenverzögerungen
am Abtrieb derart auf die Kupplung einwirken, daß der Kraftfluß zwischen Antrieb
und Abtrieb unterbrochen wird.
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Dies ist beispielsweise bei Rutsch-
oder Brechkupplungen der Fall. Diesen haftet jedoch der Nachteil
an, daß entweder – im Falle
einer Rutschkupplung – bei
denen Überlastungen
durch Durchrutschen der Kupplungshälften unschädlich gemacht werden, ein starker
Verschleiß auftritt
sowie zusätzliche
Maßnahmen
für eine
gute Wärmeabfuhr
getroffen werden müssen
oder – im
Falle der Brechkupplung – nach
einem Überlastfall
und dem Brechen der die Kupplungshälften verbindenden Bolzen,
vor neuer Inbetriebnahme die Maschine abgeschaltet und neue Bolzen
eingebaut werden müssen.
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Des weiteren sind Überlastkupplungen
bekannt, bei denen Mittel vorgesehen sind, die die Kupplungshälften im Überlastfall
voneinander trennen bzw. die Vorspannkraft auf Verbindungselemente
zwischen den Kupplungshälften
reduzieren bzw. zurücknehmen.
Bei diesen Vorrichtungen wirkt sich jedoch nachteilig aus, daß zusätzliche
mechanische Einschaltmittel notwendig sind, um die Kupplung nach
Beseitigung der Störung
wieder einzurücken. Diese
Mittel können
nicht im Getriebe integriert werden und bedürfen zudem nach Beseitigung
der Störung
zusätzlicher
Betätigung
durch die Bedienungsperson der Maschine.
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Diese Nachteile vermeidend, sind Überlastkupplungen
entwickelt worden, bei denen die einer Vorspannkraft ausgesetzten
Verbindungselemente zwischen Antrieb und Abtrieb im Überlastfall
aus ihrer „Mitnahme-Position" herausrutschen,
so daß die Kraftübertragung
zwischen Antrieb und Abtrieb unterbrochen ist und letztere sich
relativ zueinander bewegen können.
Dieser Zustand wird im folgenden als „ausgekuppelter Zustand" bezeichnet. Mit „eingekuppeltem
Zustand" wird im
folgenden hingegen der Fall bezeichnet, in dem der Antrieb mit dem
Abtrieb verbunden ist und eine Kraftübertragung vom Antrieb auf
den Abtrieb erfolgt.
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Aufgrund der Vorspannkraft rutschen
die Verbindungselemente, sobald Antrieb und Abtrieb eine entsprechende
Stellung zueinander einnehmen, wieder in die Mitnahme-Position zurück. Solange
jedoch eine Überlast
auf der Abtriebsseite weitere besteht, rutschen sie wieder aus dieser
Position heraus. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis die
Störung
beseitigt ist und die Überlast
an der Abtriebsseite wegfällt.
Nachteilig an diesen Vorrichtungen wirkt sich das ständige Ein-
und Ausrasten der Verbindungselemente aus, was neben einer erhöhten Lärmbelästigung
einen starken Verschleiß sowie
unerwünschte
Wärmeentwicklung
mit sich bringt.
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Aus dem US-Patent 3,266,607 ist beispielsweise
eine Vorrichtung für
eine steuerbare fliehkraftbetätigte Überlastkupplung
bekannt, wobei die Fliehkraftgewichte in Verbindung mit einem Verriegelungsmechanismus
die zu kuppelnden Teile nach Eintritt des Überlastfalls und oberhalb einer
vorbestimmten Grenzdrehzahl außer
Eingriff setzt. Nachteilig bei dieser Ausführung ist die Abhängigkeit
von einer Grenzdrehzahl, zudem wird eine aufwändige und verschleißanfällige Konstruktion
verwendet.
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Aus dem Gebrauchsmuster
DE 77 07 130 U ist ferner
ein Drehmomentbegrenzer bekannt, bei der ein unter Fliehkrafteinfluss
stehender Stößel die Kupplung
im ausgerückten
Zustand arretiert. Dieser Stößel kann
jedoch nur durch manuelle Betätigung entriegelt
werden, sodass die Gebrauchsfähigkeit der Überlastkupplung
aufgrund der aufwändig
zu behebenden Störung
infrage gestellt ist.
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Aus der österreichischen Patentschrift
AT 340 212 ist ferner eine
Sicherheitsrutschkupplung bekannt, die ein selbsttätiges Ausrasten
der in einer Aussparung liegenden Kugel im Falle einer Drehmomentüberschreitung
ermöglicht,
ohne dass jedoch diese ausgekuppelte Stellung arretiert werden kann.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung
das Problem zugrunde, eine Überlastkupplung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein gezieltes, automatisches
Ein- und Auskuppeln ermöglicht, ohne
daß zusätzliche
mechanische Einschaltmittel notwendig sind, wobei „gezielt" ein Wiedereinkuppeln erst
nach Störungswegfall
bedeutet.
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Dieses Problem löst die Erfindung durch eine fliehkraftgesteuerte Überlastkupplung
gemäß dem Hauptanspruch.
Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Dieser
Schaltautomat bewirkt, daß im Überlastfall
der Zustand der Trennung von Antrieb und Abtrieb arretiert wird – wodurch
eine unabhängige
Bewegung von Antrieb und Abtrieb ermöglicht wird, was Kupplung,
Maschine und Werkzeug schont – und
die Arretierung gezielt ohne äußere mechanische
Einwirkungen wieder aufgelöst
werden kann. Die Arretierung erfolgt durch im Schaltautomaten angeordnete,
im eingekuppelten Zustand in ihrer mit radialer Komponente erfolgenden
Bewegung gehinderte Fliehgewichte, die sich, sobald der ausgekuppelte
Zustand erreicht ist, aufgrund der auf sie wirkenden Fliehkraft
im Winkel zur Wellenachse nach außen bewegen und durch ihre dann
eingenommene Position ein erneutes Einrücken der Kupplung verhindern.
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Erst die Reduzierung der Drehzahl
des Antriebs und somit die Verringerung der Fliehkraft, bewirkt,
daß sich
die Fliehgewichte, die federbelastet in dem Schaltautomaten angeordnet
sind, aufgrund der entgegen der Fliehkraft wirkenden Federkraft
in ihre Ausgangslage zurück
bewegen. Durch das Zurückbewegen
der Fliehgewichte wird die Arretierung freigegeben und ein erneutes
Einkuppeln wieder möglich.
Das Lösen
der Arretierung ist lediglich durch Reduzieren der Antriebsdrehzahl
möglich;
zusätzliche mechanische
Betätigungsmittel
sind nicht notwendig.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
der Schaltautomat zwischen Anpreßmitteln (vorzugsweise Druckfedern)
und Verbindungselementen der Kupplung angeordnet und besteht im
wesentlichen aus einem axial beweglichen, drehfest mit dem Antrieb
verbundenen Kupplungsglied. Die Kraftübertragung von den sich am
Antrieb abstützenden
Anpreßmitteln
erfolgt über
das Kupplungsglied auf die Kupplungs-Verbindungselemente. Die fliehkraftbedingte
Bewegung der Fliehgewichte in ihre arretierende Position wird durch
eine sich auf die axiale Position des Kupplungsgliedes auswirkende
Wegsteuerung ausgelöst.
Eine Steuerscheibe, die drehfest mit dem Abtrieb verbunden sein
kann, weist an ihrem stirnseitigen, dem Antrieb zugewandten Umfang
Erhebungen und Senken auf, auf denen sich käfiggeführte Zylinderrollen abwälzen können. Dieser
Steuerscheibe sind an dem Kupplungsglied befestigte Zylinderrollen
zugeordnet. Es ist auch denkbar, die Steuerscheibe dem Antrieb zuzuordnen.
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Kommt es im Überlastfall zu einer Blockierung
des Abtriebs, verdrehen sich Antrieb und Abtrieb relativ zueinander,
so daß die
Zylinderrollen zumindest teilweise auf dem stirnseitigen Umfang
der Steuerscheibe abrollen. Sobald die Zylinderrollen auf eine Erhebung
der Steuerscheibe gelangen, bewegt sich das Kupplungsglied axial
entgegen der Kraft der Anpreßmittel,
d.h. es erfolgt eine axiale Verschiebung des Kupplungsgliedes in
Richtung auf die Anpreßmittel
und eine Unterbrechung des Kraftflusses vom Antrieb auf den Abtrieb
durch Aufheben der Wirkung der Verbindungsmittel, beispielsweise
des Reibschlusses eines Lamellenpakets. Dieser ausgekuppelte Zustand
wird durch die in der verschobenen Lage des Kupplungsgliedes in
ihrer radialen Bewegung freigegebenen Fliehgewichte arretiert, indem diese
aufgrund der auf sie wirkenden Fliehkraft eine Rastposition einnehmen,
die ein Zurückbewegen
des Kupplungsgliedes und somit ein erneutes Einrücken der Kupplung verhindert.
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Die Auflösung der Arretierung erfolgt
in oben beschriebener Weise. Sobald die Fliehgewichte ihre ursprüngliche
Position eingenommen haben, ist die axiale Rückbewegung des Kupplungsgliedes
nicht mehr blockiert, so daß es
durch die Anpreßmittel
wieder in Richtung der Verbindungselemente geschoben wird, wodurch
diese wieder in den Kraftübertragungszustand
gelangen, d.h. die Kupplung einrückt.
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Der erfindungsgemäße Schaltautomat läßt sich
vorteilhafterweise als eine auf der Antriebswelle plazierbare, wenig
Platz beanspruchende Baueinheit im Getriebe integrieren, so daß auch ein
nachträglicher
Einbau in bestehende Maschinen möglich
ist. Bevorzugt können
Lamellen- und Nockenkupplungen mit dem Schaltautomaten ausgestattet
werden.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand
von in der Zeichnung dargestellten, bevorzugten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen
Schnitt durch eine Lamellenkupplung mit einem erfindungsgemäßen Schaltautomaten;
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2 einen
Schnitt entlang der Linie II-II in 1;
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3 einen
Schnitt entlang der Linie III-III in 1;
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4 eine
Abwicklung des stirnseitigen Umfangs des Abtriebs der Lamellenkupplung;
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5 einen
Schnitt durch eine Nockenkupplung mit einem erfindungsgemäßen Schaltautomaten,
wobei im mittleren Bereich eine Seitenansicht einer Nocken-Mitnahme-
bzw. Nockensteuerscheibe dargestellt ist; und
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6 einen
Schnitt entlang der Linie VI-VI in 5.
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In 1 ist
eine Lamellenkupplung dargestellt, die aus einer Antriebswelle 1 und,
einer Abtriebswelle 2, die über ein Lamellenpaket 3 miteinander
in kraftschlüssige
Verbindung gebracht werden können,
besteht.
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Im oberen Teil der Zeichnung ist
der eingekuppelte Zustand dargestellt, d.h. der Fall, in dem Kraftschluß zwischen
der Antriebs- 1 und der Abtriebswelle 2 besteht,
wobei die Druckkraft von sich in nachstehend noch zu beschreibender
Weise an der Antriebswelle 1 abstützenden, mit der Antriebswelle 1 umlaufenden
Tellerfedern 4 über
ein ebenfalls mit der Welle 1 umlaufendes, axial bewegliches
Kupplungsglied 5 auf eine axial bewegliche, mit der Antriebswelle 1 umlaufende
Druckscheibe 6 wirkt, die durch axiales Verschieben die
einzelnen Lamellen des Lamellenpakets 3 in Reibschluß bringen
bzw. diese aufheben kann, das sich an einem Anschlag 7 der
Antriebswelle 1 abstützt,
so daß die
Lamellen gegeneinander gedrückt
werden, wodurch das Moment von der Antriebswelle 1 auf
die Abtriebswelle 2 übertragen
wird. Im unteren Teil der Zeichnung ist hingegen der ausgekuppelte
Zustand dargestellt; in dieser Position wirkt die Kraft der Tellerfedern 4 nicht
auf das Lamellenpaket 3; Kupplungsglied 5 und
Druckscheibe 6 stehen nicht miteinander in Berührung und es
kann keine Kraft übertragen
werden.
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In dem axial beweglichen und beispielsweise durch
eine Keilwelle als Antriebswelle 1 oder eine Verzahnung 10 auf
diesem gegen Verdrehen relativ zur Welle 1 gesicherten
Kupplungsglied 5 befindet sich mindestens ein Fliehgewicht 8.
Somit drehen sich mit dem Antrieb 1 das Tellerfeder-Gehäuse 14 einschließlich der
Tellerfedern 4, das Kupplungsglied 5 mitsamt den
Zylinderrollen 18 sowie die Druckscheibe 6 und
die am Antrieb 1 befestigten Lamellen, während die
Steuerscheibe 19, die am Abtrieb 2 befestigten
Lamellen sowie der Anschlag 7 der Drehung des Abtriebs 2 zwangsläufig folgen.
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Die Fliehgewichte 8 sind
federbelastet und zwar durch in Richtung auf die Wellenachse wirkende Zugfedern 9,
die an ihrem einen Ende mittels eines Hohlspannstiftes 11 an
dem Kupplungsglied 5 und mit ihrem anderen Ende ebenfalls
mittels eines Hohlspannstiftes 11 am Fliehgewicht 8 befestigt
sind. Die Fliehgewichte 8 sind derart in einer Bohrung 12 des Kupplungsgliedes 5 gelagert,
daß sie
sich in radialer Richtung bewegen können.
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Das Kupplungsglied 5 umgibt
nach außen ein
an einem durch einen Sprengring 13 gegen axiales Verschieben
gesicherten Tellerfeder-Gehäuse 14 befestigtes
Ringelement 15. In diesem Ringelement 15 sind
radiale Bohrungen 16 derart eingebracht, daß im eingekuppelten
Zustand die Käfigbohrungen 12 zumindest
teilweise überdeckt
sind, so daß die
radiale Bewegung der Fliehgewichte 8 begrenzt wird, und zwar
derart, daß nur
eine Bewegung bis zur Innenwand des Ringelementes 15 möglich ist.
Im ausgekuppelten Zustand hingegen kommen die Käfigbohrungen 12 mit
den Bohrungen 16 des Ringelements 15 durch Verschieben
des Kupplungsgliedes 5 in Richtung der Tellerfedern 4 in
Deckung, so daß die Fliehgewichte 8 sich
bis in die Bohrungen 16 des Ringelementes 15 hinein
radial nach außen – von der Wellenachse
gesehen – bis
zu einem Anschlag 20 verschieben können und damit das Kupplungsglied 5 quasi
in zurückgezogener
Position verrasten.
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Die beiden Endstellungen der Fliehgewichte 8 sind
in 1 und 2 dargestellt, und zwar
im Falle des eingekuppelten Zustands der Kupplung in 1 oben und links in 2, während der "verrastete" Kupplungsgliedzustand durch die in 1 unten und 2 rechts dargestellte Fliehgewichtsposition
bewirkt wird.
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Das Kupplungsglied 5 trägt abtriebsseitig
einen scheibenförmigen
Lagerkäfig 17 für mehrere
rotationsbewegliche Zylinderrollen 18. Diese können gleichmäßig über dem
Umfang des Lagerkäfigs 17 verteilt
sein, wie dies in 3 dargestellt
ist. Aber auch eine unregelmäßige Anordnung
ist denkbar. Das stirnseitige, dem Schaltautomaten zugewandte Ende
des Abtriebs 2 trägt
eine Steuerscheibe 19 mit einer stirnseitigen, den Zylinderrollen 18 zugekehrten Wellenbahn,
deren Umfangsabwicklung in 4 dargestellt
ist. Die Stirnseite weist über
den Umfang verteilte Erhebungen 21 und Senken 22 auf.
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Ausgehend vom eingekuppelten Zustand, bei
dem sich die Zylinderrollen 18 im Bereich der Senken 22 der
Steuerscheibe 19 befinden, wird im folgenden die Funktionsweise
der fliehkraftgesteuerten Überlastkupplung
beschrieben: Im Überlastfall
ist die Kupplung nicht mehr in der Lage, das gesamte Antriebsmoment
auf den Abtrieb 2 zu übertragen.
Es kommt dadurch zu einer Relativbewegung zwischen Antrieb 1 und
Abtrieb 2. Durch diese Relativbewegung verschieben sich
die Erhebungen 21 und Senken 22 relativ zu den
Zylinderrollen 18. Gelangt nun eine Zylinderrolle 18 in
den Bereich einer Erhebung 21, wie dies in 1 unten und in 4 dargestellt ist, so rollt diese auf
dem stirnseitigen Umfang der Nocken-Steuerscheibe 19 ab
und wird dadurch entgegen der Federkraft der Tellerfedern 4 axial
verschoben. Da das Kupplungsglied 5, an dem die in dem
relativ zum Antrieb drehbaren Lagerkäfig 17 befindlichen
Zylinderrollen 18 sich abwälzen, axial verschiebbar gelagert
ist, bewirkt dies auch eine Verschiebung des Kupplungsgliedes 5 in
Richtung auf das Tellerfeder-Gehäuse 14.
Diese Verschiebung bewirkt, daß die
Käfigbohrungen 12 mit
den Bohrungen 16 in Deckung kommen und dadurch eine Bewegung der
Fliehgewichte 8 in die Bohrungen 16 des Ringelementes 15 hinein
möglich
und außerdem
der Reibschluß im
Lamellenpaket aufgehoben wird.
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Sobald die Fliehgewichte 8 die
im unteren Teil der 1 bzw.
in der rechten Hälfte
der 2 dargestellte Position
eingenommen haben, verhindern sie, da sie in die Bohrungen 16 des
Ringelementes 15 eingetaucht sind, ein Zurück-Verschieben des Kupplungsgliedes 5 in
Richtung des Abtriebs 2, also in die Kuppelposition.
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Das Ausschalten der Kupplung erfolgt
also durch eine durch die Steuerscheibe 19 ausgelöste Wegsteuerung
des Kupplungsgliedes 5, die die Bewegung der Fliehgewichte 8 in
ihre arretierende Position freigibt.
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In dieser Stellung ist der Abtrieb 2 vom
Antrieb 1 momentenmäßig getrennt.
Relativbewegungen zwischen diesen beiden Bauteilen sind nun möglich.
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Dieser Zustand wird solange beibehalten,
bis die Überlast
bzw. Störung
auf der Abtriebsseite beseitigt ist. Dann wird dafür gesorgt,
daß sich
die Fliehgewichte 8 wieder in Richtung Wellenachse bewegen,
somit das Kupplungsglied 5 wieder axial bewegbar ist und
die Tellerfedern 4 dieses in Richtung Lamellenpaket 3 drücken. Die
Rückbewegung
der Fliehgewichte aus ihrer "Verrast"-Position wird durch eine
Reduzierung der Antriebsdrehzahl erreicht, bis die Fliehkraft geringer
wird als die Kraft der auf die Fliehgewichte 8 wirkenden
Zugfedern 9.
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Das Abschalten der Sicherung und
somit das erneute Einkuppeln wird also lediglich durch Reduzieren
der Antriebsdrehzahl automatisch erreicht. Es sind keine zusätzlichen
Vorrichtungen notwendig, die von der Bedienungsperson der Maschine
betätigt werden
müßten.
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In 5 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
mit einem erfindungsgemäßen Schaltautomaten
ausgerüsteten
Kupplung dargestellt, welches sich dadurch vom Ausführungsbeispiel
gemäß 1 unterscheidet, daß zur Kraftübertragung
zwischen Antrieb 1 und Abtrieb 2 anstelle eines
Lamellenpakets Zylinderrollen 23 für den Kraftschluß sorgen.
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Im oberen Teil der 5 ist wiederum der eingekuppelte, im
unteren Teil der ausgekuppelte Zustand dargestellt. Diese Kupplung
weist ebenfalls in einem Tellerfeder-Gehäuse 14 angeordnete
Tellerfedern 4, ein die Fliehgewichte 8 aufnehmendes
Kupplungsglied 5 sowie ein das Kupplungsglied 5 umgebenden,
Bohrungen 16 aufweisendes Ringelement 15 auf.
Die Fliehgewichte 8 sind entsprechend dem zuvor beschriebenen
Ausführungsbeispiel
im Kupplungsglied 5 federbelastet gelagert.
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Den Zylinderrollen 23, deren
Anordnung entlang des Umfangs ebenfalls gleichmäßig oder ungleichmäßig, wie
in 6 darstellt, vorgesehen
sein kann, fallen hier zwei Aufgaben zu. Zum einen dienen sie der
Kraftübertragung
zwischen Antrieb 1 und Abtrieb 2, und zwar dadurch,
daß sie
in Aussparungen 24 einer Mitnahme- bzw. -Steuerscheibe
25 eingreifen. Die Aussparungen 24 sind derart gestaltet,
daß ein
formschlüssiges
Eingreifen der Zylinderrollen 23 und somit eine kraftschlüssige Übertragung
des Moments vom Antrieb 1 auf den Abtrieb 2 erfolgt.
Eine Seitenansicht der Nockenscheibe-Steuerscheibe 25 mit
in die Aussparung 24 eingreifender Zylinderrolle 23 ist
im Bereich der Antriebswelle in 5 dargestellt.
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Die zweite Aufgabe, die den Zylinderrollen 23 zufällt, ist
vergleichbar mit der der Zylinderrolle 18 bei der zuvor
erläuterten
Lamellenkupplung. Im Überlastfall
findet auch hier eine Relativbewegung zwischen Antrieb 1 und
Abtrieb 2 statt, wobei sich die Zylinderrollen 23 auf
der Nockenscheibe-Steuerscheibe 25 abwälzen und es zu einer Relativdrehzahl zwischen
dem Kupplungsglied 5 und einer Druckscheibe 26 kommt.
Diese soll ein Axialzylinderrollenlager 27 aufnehmen. Dadurch
verschiebt sich die Aussparung 24 relativ zur Zylinderrolle 23 und
es wird auf die Zylinderrolle 23 eine Bewegungskomponente
ausgeübt,
die entgegengesetzt zur Federkraft der Tellerfedern 4 gerichtet
ist. Dadurch wird entsprechend den obigen Ausführungen das Kupplungsglied 5 in
Richtung auf das Tellerfeder-Gehäuse 14 verschoben,
so daß es
zu einer Deckung der Käfigbohrungen 12 mit
den Bohrungen 16 kommt und die Fliehgewichte 8 die
Position einnehmen können, durch
die ein Einrücken
der Kupplung solange verhindert wird, bis die Fliehgewichte 8 durch
Reduzieren der Antriebsdrehzahl sich wieder in ihre ursprüngliche
Lage zurück
bewegen.
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Der Einsatz des erfindungsgemäßen Schaltautomaten
ist keineswegs auf Lamellen- und Nockenkupplungen beschränkt. Vielmehr
ist sein Einbau bei allen schaltbaren Kupplungen möglich.
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Auch ist es denkbar, den Schaltautomaten an
einer anderen Stelle der Kupplung anzuordnen, die das Zusammenwirken
der Einzelteile des Automaten mit den Kupplungselementen im Sinne
des zuvor offenbarten Erfindungsgedanken ermöglicht.