DE19912797C2 - Elastische Wellenkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elastische Wellenkupplung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Elastische Wellenkupplungen kommen vornehmlich in dieselmotorischen Antriebsan­ lagen - wie Schiffsantrieben - zum Einsatz, bei denen Schwingungen zwischen den zu verbindenden Anlagenteilen zur Vermeidung von ungünstigen Eigenfrequenzen ent­ koppelt werden müssen. Darüber hinaus ist eine elastische Wellenkupplung auch in der Lage, axiale, radiale und winklige Verlagerungen der zu verbindenen Wellen in vorgegebenen Toleranzen auszugleichen. Diese Verlagerungen entstehen beispiels­ weise, wenn ein starr mit dem Boden verbundenes Getriebe mit einem elastisch mit dem Boden in Kontakt stehenden Dieselmotor gekoppelt werden soll. Die elastische Aufhängung des Diesemotors vermeidet dabei eine Verbreitung von störendem Kör­ perschall durch den Boden, führt jedoch zu den vorstehend genannten Relativbewe­ gungen zwischen den zu verbindenden Wellen.

Zu diesem Zweck wird eine Wellenkupplung verwendet, wie sie aus der DE 297 16 561 U1 bekannt ist. Die Wellenkupplung besteht im wesentlichen aus zwei konzentrisch zur Kupplungsachse angeordneten Kupplungshälften, die von einem Elastomerkörper getrennt je einem Wellenende zugeordnet sind. Die Elastomerkörper sind ringförmig und aus mehreren Segmenten zusammengesetzt. Am Elastomerkörper ist innenradial so wie außenradial ein eine Ringform ergebendes Metallteil anvulkanisiert. Die beiden Metallteile dienen der Verbindung mit je einer Kupplungshälfte. Der Elastomerkörper entfaltet seine federnde Eigenschaft bei Schubbeanspruchung. Bei Druckbean­ spruchung verhält er sich relativ starr. Daher ist eine elastische Wellenkupplung der vorstehend beschriebenen Art zwar zum Ausgleich von winkligen und axialen Verlage­ rungen der zu verbindenden Wellen geeignet; einen Radialversatz von Wellen, vermag sie aber wegen der hierbei konstruktionsbedingten Druck-/Zugbeanspruchung der Elastomerkörper kaum auszugleichen.

Hierfür steht jedoch eine Art elastischer Wellenkupplung gemäß DE 43 04 611 A1 zur Verfügung. Diese Wellenkupplung besitzt im Gegensatz zu der vorstehend beschrie­ benen Wellenkupplung einen Elastomerkörper, an dem je seitlich und nicht innen- und außenradial ein Metallteil zur Kraftübertragung auf beide Kupplungshälften vorgesehen ist. Der so ausgebildete Elastomerkörper ist mit einer in Reihe dazu geschalteten drehstarren Membrankupplung kombiniert. Ein drehelastisches Verhalten der Wellen­ kupplung wird hierbei über den insoweit schubbeanspruchten Elastomerkörper erzielt. Einen axialen Versatz der zu verbindenden Wellen gleicht die Membrankupplung aus, einen radialen Versatz der hierbei ebenfalls schubbean-spruchte Elastomerkörper. Ein winkliger Versatz wird allerdings vorwiegend über die Membrankupplung ausgeglichen, da die Elastomerelemente wegen ihrer Einbaulage in axialer Richtung relativ steif und damit auch recht winkelsteif sind. Die Wellenkupplung unterliegt daneben wegen ihrer vielen Bauteile einem hohen Herstellungsaufwand.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elastische Wellenkupplung zu schaffen, die einerseits einen verbesserten Ausgleich von axialen, radialen und winkli­ gen Verlagerungen von miteinander zu verbindenden Wellen gewährleistet und die andererseits mit geringerem Aufwand herstellbar ist.

Die Aufgabe wird ausgehend von einer elastischen Wellenkupplung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 gemeinsam mit dessen kennzeichnenden Merk­ malen gelöst.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, daß ein innen- und außenradial ange­ ordnetes Metallteil eines Elastomerkörpers mit je einer Kupplungshälfte unter Bildung einer axial-, torsions- und winkelverlagerungsfähigen, aber im wesentlichen radialver­ lagerungssteifen ersten Koppelstelle in Verbindung steht, zu der unter Bildung einer zweiten Koppelstelle ein radial- und winkelverlagerungsfähiges, aber weitgehend torsi­ onsstarres nichtelastomeres Federmittel beabstandet in Reihe angeordnet ist, worüber mittels einer angrenzenden Nabe das andere Wellenende anschließbar ist.

Die so gestaltete elastische Wellenkupplung mit ihren beiden Koppelstellen, denen definierte Freiheitsgrade zugeordnet sind, ermöglicht durch das insoweit verwirklichte doppelkardanische Prinzip einen großen Radialversatz der angeschlossenen Wellen. Ein verbesserter Radialversatz wird durch Winkelverlagerungen in beiden Koppel­ stellen ermöglicht. Je größer hier die Distanz zwischen beiden Koppelstellen ist, desto größer kann bei konstanter Winkelverlagerung auch der ausgleichbare Radialversatz sein. Dagegen steht die zulässige Baulänge der Wellenkupplung, die sich dabei pro­ portional vergrößert. Ein Winkelversatz zweier Wellen ist durch die erste Koppelstelle in gleichem Maße wie auch durch die zweite Koppelstelle ausgleichbar, da sowohl der Elastomerkörper als auch das nichtelastomere Federmittel winkelverlagerungsfähig ist. Durch diese Überlagerung wird eine verbesserte Winkelverlagerungsfähigkeit erzielt. Ein axialer Winkelversatz ist vom Elastomerelement und ebenso vom nichtelastomeren Federmittel kompensierbar. Ein Torsionsversatz ist dagegen allein vom Elastomerele­ ment ausgleichbar, da das nichtelastische Federmittel torsionsstarr ausgebildet ist. Da Elastomerelementen jedoch eine gute Torsionsverlagerungsausgleichsfähigkeit eigen ist, ist es nicht erforderlich, zu diesem Zweck zusätzliche in Reihe geschaltete andere­ re nichtelastomere Federmittel vorzusehen. Da bei der elastischen Wellenkupplung der Einsatz von Elastomerelementen im Gegensatz zu nichtelastomeren Federmitteln aufwendiger und damit kostenintensiver ist, stellt die Erfindung durch die hier verwirk­ lichte Kombination eine auch unter ökonomischen Gesichtspunkten optimale Lösung dar.

Das nichtelastomere Federmittel kann nach drei bevorzugten Ausführungsformen aus­ gestaltet sein. Zum einen kann dieses aus einzelnen Stahlfederlaschen aufgebaut sein, die jeweils mit ihrem einen Ende an einer Hülse der einen Kopplungshälfte und mit ihrem anderen Ende an einer Nabe des Wellenendes angebracht sind. Zum zweiten kann das Federmittel auch aus einem korbförmigen Federstahlkörper bestehen, dessen Wandbereich an der Hülse und dessen Bodenbereich an der Nabe angebracht ist. Schließlich kann das Federmittel auch aus einem geschlossenen topfförmigen Federkörper aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehen, dessen Wandbereich und dessen Bodenbereich je über einen gewellten Abschnitt verfügt, wobei der Wandbereich sowie der Bodenbereich zur Aufnahme von Befestigungsmit­ teln ausgebildet ist. Im Falle eines korbförmigen Federstahlkörpers ist dieser so ge­ staltet, daß, ausgehend von einem dem Bodenbereich zugehörigen ringförmigen Abschnitt, sich mehrere gleichartige sternförmige Abschnitte erstrecken, die zur Bildung des Wandbereiches des korbförmigen Federstahlkörpers im wesentlichen senkrecht zum Bodenbereich zur gleichen Stelle hin abgewinkelt sind. Dabei ist jeder Endbereich sowie der Bodenbereich zur Aufnahme von Befestigungsmitteln ausgebil­ det. Diese Ausgestaltung liefert die gewünschten Federeigenschaften sowie Freiheits­ grade bei einer optimalen Stabilität zur Übertragung großer Drehmomente unter Verla­ gerung der angeschlossenen Wellen.

Es ist fertigungstechnisch vorteilhaft, den Elastomerkörper aus einzelnen kreisseg­ mentartigen Einzelelementen mit je zugeordneten innenradialen und außenradialen Metallteilen zusammenzusetzen, insbesondere dann, wenn Kupplungen größeren Durchmessers, d. h. zur Übersetzung höherer Drehmomente, herzustellen sind. Bei der Übertragung kleinerer Drehmomente kann es ausreichend sein, wenn der Elasto­ merkörper unsegmentiert ist, also aus einem einzigen Teil besteht.

Eine die Erfindung verbessernde Maßnahme besteht darin, daß insbesondere bei einer Dieselmotor-Getriebe-Kupplung, die dem außenradialen Metallteil zugeordnete Kupplungshälfte als Motor-Schwungscheibe ausgebildet ist. Damit werden die Gleich­ laufeigenschaften der gesamten Antriebsanlage verbessert.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer elastischen Wellenkupplung, insbesondere zur Verdeutlichung der Radialverlagerungsausgleichfähigkeit,

Fig. 2 einen Teillängsschnitt durch eine elastische Wellenkupplung mit einem Federmittel aus einzelnen Stahlfederlaschen als zweite Koppelstelle,

Fig. 3a eine Draufsicht auf eine Stirnseite der elastischen Wellenkupplung im Bereich der zweiten Koppelstelle nach der Ausführungsform gemäß Fig. 2,

Fig. 3b einen Längsschnitt durch eine elastische Wellenkupplung im Bereich der zweiten Koppelstelle nach Fig. 3a,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer elasti­ schen Wellenkupplung mit einem korbförmigen Federstahlkörper als Federmittel für die zweite Koppelstelle,

Fig. 5a eine Draufsicht auf den korbförmigen Federstahlkörper nach Fig. 4 in seiner Ursprungsform,

Fig. 5b eine vereinfachte Darstellung des korbförmigen Federstahlkörpers nach Fig. 5a in seiner einbaugeeigneten Endform und

Fig. 6 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer elasti­ schen Wellenkupplung mit einem topfförmigen Federkörper aus Kunst­ stoff für die zweite Koppelstelle.

Eine elastische Wellenkupplung gemäß Fig. 1 besteht im Prinzip aus zwei konzen­ trisch zur Kupplungsachse 1 angeordneten Kupplungshälften 2 und 3. Zwischen beiden Kupplungshälften 2 und 3 ist ein konzentrischer Elastomerkörper 4 angeordnet. Der Elastomerkörper 4 bildet eine erste gelenkige Koppelstelle 5 und ist in seinen Freiheitsgraden so ausgestaltet, daß er axial-, torsions- und winkelverlagerungsfähige, aber im wesentlichen radialverlagerungssteife Koppeleigenschaften besitzt. Ein über die erste Koppelstelle 5 zu verbindendes Wellenende 6 ist beabstandet zur einer zweiten Koppelstelle 7 angeordnet, an der das andere Wellenende 8 angeschlossen ist. Durch die distanzierte Anordnung (Ls) der beiden Koppelstellen 5 und 7 kann im Zusammenwirken mit deren Winkelverlagerungsfähigkeit (ΔKw) ein Radialversatz (ΔKr) des ersten Wellenendes 6 gegenüber dem zweiten Wellenende 8 ausgeglichen werden. Ebenso ist mit dieser doppelkardanischen Anordnung ein Axial- sowie ein Winkelversatz ausgleichbar. Eine Torsionsverlagerung ermöglicht dagegen allein der Elastomerkörper 4. Ein die zweite Koppelstelle 7 bildendes nichtelastomeres Feder­ mittel 9 besitzt zur Gewährleistung der Kupplungsfunktion axial- und winkelverlage­ rungsfähige, aber weitgehend torsionsstarre Eigenschaften.

Ausgehend von dem vorstehend erläuterten prinzipiellen Aufbau ist die elastische Wellenkupplung nach einer ersten Ausführungsform gemäß Fig. 2 konstruktiv derart gestaltet, daß das eine Wellenende 6 über die eine angedeutete Motor- Schwungscheibe bildende erste Kupplungshälfe 2 mit einem konzentrischen ringförmi­ gen Metallteil 10 verbunden ist. Diese Verbindung ist über eine Verschraubung 11 mit mehreren radial angeordneten Schrauben hergestellt. Das Metallteil 10 schließt gemeinsam mit einem ebenfalls ringförmigen Metallteil 12 kleineren Durchmessers den Elastomerkörper 4 radial unter Bildung der ersten Koppelstelle 5 ein, wobei der Elastomerkörper 4 mit beiden Metallteilen 10 und 12 durch Vulkanisation fest verbun­ den ist. Das innenradiale Metallteil 12 ist mittels einer Verschraubung 13 mit einer kon­ zentrischen Hülse 14 verbunden, wodurch der Übergang zu der zweiten Kupplungs­ hälfte 3 geschaffen ist. Die Hülse 14 bildet eine distanzbestimmende Verbindung zu der zweiten Koppelstelle 7, die durch nichtelastomere Federmittel 9 gebildet ist. Einen Abschluß der Wellenkupplung bildet eine auf der anderen Seite der nichtelastomeren Federmittel 9 angeordnete Nabe 16, die zur Verbindung mit dem anderen Wellenende 8 dient.

Das nichtelastomere Federmittel 9 besteht gemäß Fig. 3a in der vorstehend er­ läuterten ersten Ausführungsform aus einzelnen Stahlfederlaschen 17. Die Stahlfeder­ laschen 17 sind kreisförmig angeordnet und über eine Verschraubung 18 befestigt. Dabei erfolgt jede zweite Befestigung gemäß Fig. 3b an der Nabe 16. Die übrigen Befestigungen sind an der Hülse 14 vorgesehen. Je zwei benachbarte Stahlfederla­ schen 17, 17' sind über eine Verschraubung 18 fixiert. Diese Anordnung ermöglicht eine Axial- und Winkelverlagerungsfähigkeit der Nabe 16 gegenüber der Hülse 14 bei großer Torsions- und Radialsteifigkeit.

Die gleichen Eigenschaften der Koppelstelle 7 können nach dem zweiten Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 4 auch über einen korbförmigen Federstahlkörper als nichtelastomeres Federmittel 9 realisiert werden. Bei dieser Konstruktion ist das Wel­ lenende 6 auf Seiten der ersten Kupplungshälfte 2 mittels eines Verbindungsele­ mentes 20 am innenradialen Metallteil 12 befestigt. Der Kraftfluß wird im Bereich der ersten Koppelstelle 5 weiterhin über den Elastomerkörper 4 zu dem außenradialen Metallteil 10 geleitet, das mit dem Endbereich 21 des nichtelastomeren Federmittels 9 über eine Verschraubung 25 verbunden ist. Der korbförmige Federstahlkörper besteht aus einem am Endbereich 21 angrenzenden Wandbereich 22, an dem schließlich ein Bodenbereich 23 angrenzt. Die Befestigung mit der Nabe 16 zur Aufnahme des zweiten Wellenendes 8 erfolgt im Bodenbereich 23 mittels Verschraubung 24. Der korbförmige Federstahlkörper besteht nach Fig. 5a aus einem den Bodenbereich 23 zugehörigen ringförmigen Abschnitt, von dem aus mehrere gleichartige, sich nach radialaußen sternförmig erstreckende fingerartige Abschnitte ausgehen. Diese Ab­ schnitte bilden den Wandbereich 22 des korbförmigen Federstahlkörpers. Zu diesem Zweck sind diese gemäß Fig. 5b im wesentlichen senkrecht zum Bodenbereich 23 zur gleichen Seite hin abgewinkelt. Dabei ist der Endbereich 21 sowie der Boden­ bereich 23 zur Aufnahme von Befestigungsmitteln ausgebildet, d. h. es sind hier Bohrungen für Schrauben vorgesehen.

Ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 bedient sich eines topfförmigen Feder­ körpers aus kohleverstärktem Kunststoff als nichtelastomeres Federmittel 9, der im Gegensatz zum vorstehenden Ausführungsbeispiel eine vollständig geschlossene Kontur besitzt. Der topfförmige Federkörper verfügt ebenfalls über einen Wandbereich 22 und einen Bodenbereich 23, die jedoch zur Umsetzung der federnden Eigen­ schaften der Koppelstelle 7 gewellte Abschnitte aufweisen. Damit wird die gewünschte Axial- und Winkelverlagerungsfähigkeit erzielt. Die Befestigung des nichtelastomeren Federmittels 9 erfolgt an der Nabe 16 über eine Verschraubung 27, sowie am äußeren Metallteil 10 des Elastomerkörpers 4 über eine Verschraubung 28. Ansonsten ist die elastische Wellenkupplung analog zu der vorstehend beschriebenen Wellenkupplung aufgebaut.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend näher erläu­ terten drei Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr eine Anzahl von Variationen denk­ bar, die von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausfüh­ rungen Gebrauch macht.

Bezugszeichenliste

1

Kupplungsachse

2

Kupplungshälfte

3

Kupplungshälfte

4

Elastomerkörper

5

Koppelstelle

6

Wellenende

7

Koppelstelle

8

Wellenende

9

Federmittel

10

Metallteil

11

Verschraubung

12

Metallteil

13

Verschraubung

14

Hülse

16

Nabe

17

Federlasche

18

Verschraubung

20

Verbindungselement

21

Endbereich

22

Wandbereich

23

Bodenbereich

24

Verschraubung

25

Verschraubung

Claims (9)

1. Elastische Wellenkupplung zum Ausgleich radialer, axialer und winkliger Verla­ gerungen zweier miteinander zu verbindender Wellenenden (6, 8), mit zwei konzentrisch zur Kupplungsachse (1) angeordneten Kupplungshälften (2, 3), die mindestens einen dazwischenliegenden eine Ringform ergebenden kon­ zentrischen Elastomerkörper (4) einschließen, der durch Vulkanisation mit min­ destens einem ebenfalls je eine Ringform ergebenden innenradialen sowie ei­ nem außenradialen Metallteil (10, 12) verbunden ist, wobei die eine Kupplungs­ hälfte (2) mit dem einen Wellenende (6) verbindbar ist, um eine axial-, torsions- und winkelverlagerungsfähige aber im wesentlichen radialverlagerungssteife Koppelstelle (5) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das andere Wellenende (8) mittels einer Nabe (16) an einer zu der ersten Kopplungsstelle (5) beabstandet in Reihe angeordneten zweiten Koppelstelle (7) befestigt ist, welche aus einem axial- und winkelverlagerungsfähigen aber weitgehend torsionsstarren nichtelastomeren Federmittel (9) besteht.

2. Elastische Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Koppelstelle (5) und der zweiten Koppelstelle (7) eine distanzbildende Hülse (14) angeordnet ist.

3. Elastische Wellenkupplung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (9) aus einzelnen Stahlfederlaschen (17) aufgebaut ist, die jeweils mit ihrem einen Ende an der Hülse (14) und mit ihrem anderen Ende an der Nabe (16) angebracht sind.

4. Elastische Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (9) aus einem korbförmigen Federstahlkörper besteht, des­ sen Wandbereich (22) an dem außenradialen Metallteil (10) und dessen Boden­ bereich (23) an der Nabe (16) angebracht ist.

5. Elastische Wellenkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der korbförmige Federstahlkörper aus einem dem Bodenbereich (23) zuge­ hörigen ringförmigen Abschnitt besteht, von dem aus mehrere gleichartige sich nach radialaußen sternförmig erstreckende Abschnitte ausgehen, die zur Bildung des Wandbereiches (22) des korbförmigen Federstahlkörpers im wesentlichen senkrecht zum Bodenbereich (23) zur gleichen Seite hin abgewinkelt sind, wobei der Endbereich (21) sowie der Bodenbereich (23) zur Aufnahme von Befesti­ gungsmitteln ausgebildet sind.

6. Elastische Wellenkupplung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federmittel (9) aus einem topfförmigen Federkörper aus kohlefaserver­ stärktem Kunststoff besteht, dessen Wandbereich (22) und dessen Bodenbe­ reich (23) je über einen gewellten Abschnitt verfügt, wobei der Wandbereich (22) sowie der Bodenbereich (23) zur Aufnahme von Befestigungsmitteln ausgebildet sind.

7. Elastische Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomerkörper (4) aus einzelnen kreissegmentartigen Einzelelementen mit je zugeordneten innenradialen und außenradialen Metallteilen (10, 12) zu­ sammengesetzt ist.

8. Elastische Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elastomerkörper (4) aus einem einzigen ringförmigen Bauteil mit zuge­ ordnetem innenradialen und außenradialen Metallteil (10, 12) zusammengesetzt ist.

9. Elastische Wellenkupplung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine dem außenradialen Metallteil (10) zugeordnete Kupplungshälfte (2) als Motor-Schwungscheibe ausgebildet ist.