DE19951630A1 - Elektromagnetisch betätigbare, schleifringlose Einflächen-Reibungskupplung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betätigbare, schleifringlose Einflächen-Reibungskupplung (12), bei welcher ein Ankerelement (16) durch Magnetkraft gegen die Kraft eines Federelements (18) axial auslenkbar ist und reibschlüssig mit einem Rotorelement (14) kuppelbar ist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, daß das Ankerelement (16) topfartig mit einem ringscheibenförmigen Bereich (16a) und einem zylindermantelförmigen Bereich (16b) ausgebildet ist. Am Ankerelement (16) und am Rotorelement (14) bilden sich bei magnetischer Erregung im Bereich eines Arbeitsluftspalts (S) jeweils nur ein Magnetpol aus. Die erfindungsgemäße Kupplung ist sehr kompakt bauend und kostengünstig herstellbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betätig­ bare, schleifringlose Einflächen-Reibkupplung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Elektromagnetisch betätigbare Einflächen-Kupplungen werden aufgrund technischer Vorteile, ihres einfachen Auf­ baus und der günstigen Außenabmessungen in steigendem Maße zum Automatisieren mechanischer Arbeitsabläufe im Maschi­ nen- und Apparatebau verwendet, z. B. bei Textilmaschinen, Verpackungs-, Druck- und Papiermaschinen sowie Werkzeugma­ schinen und andere mehr. Die Einflächen-Kupplungen werden z. B. zum Schalten von Drehzahl- oder Geschwindigkeitsstu­ fen eingesetzt.

Eine bekannte Einflächen-Kupplung, wie sie in der DE-OS 26 38 944 offenbart ist, besteht im wesentlichen aus drei Baugruppen. Ein feststehender Magnetkörper, welcher mit einer Magnetspule versehen ist, dient zum Erzeugen ei­ nes Magnetfeldes. Da der Magnetkörper feststehend ist, ist kein Schleifring für die Übertragung der von der Magnetspu­ le aufgenommenen elektrischen Leistung erforderlich, wo­ durch eine weitgehende Wartungsfreiheit erzielbar ist. Vom feststehenden Magnetkörper wird der Magnetfluß über enge Luftspalte auf das Rotorelement übertragen, welches dreh­ fest mit einer ersten drehbaren Welle, welche die An- oder die Abtriebswelle sein kann, verbunden ist. Das scheiben­ förmige Ankerelement ist mit einer zweiten drehbaren Welle drehfest verbunden. Ankerelement und Rotorelement sind re­ lativ zueinander axial verschieblich.

Im nicht geschalteten Zustand werden Rotorelement und Ankerelement durch Rückstellmittel, vorzugsweise Federele­ mente, in geringem axialen Abstand voneinander gehalten. Zwischen zwei gegenüberliegenden, ringförmigen Reibflächen von Rotorelement und Ankerelement befindet sich ein axialer Arbeitsluftspalt, der im geschalteten Zustand durch axiale Auslenkung, beispielsweise des Ankerelements, überbrückbar ist.

Das Rotorelement der in der DE-OS 26 38 944 gezeigten Einflächen-Kupplung besteht aus einem Nabenteil zur Verbin­ dung mit der ersten drehbaren Welle, einem inneren Pol­ schenkel, welcher mit engem radialen Luftspalt einer Innen­ mantelfläche des Magnetkörpers zugeordnet ist und welcher in eine innere Axialpolfläche übergeht, einem äußeren Pol­ schenkel, welcher mit engem radialen Luftspalt einer Außen­ mantelfläche des Magnetkörpers zugeordnet ist und in eine äußere Axialpolfläche übergeht. Zwischen den Axialpolflä­ chen des Rotorelements ist ein Ring aus unmagnetischem Werkstoff eingelegt zur magnetischen Isolation und gleich­ zeitiger mechanischer Verbindung.

Das Ankerelement weist zwei getrennte konzentrische Ringe auf, von denen jeweils einer mit einer Axialpolfläche des Rotorelements zusammenwirkt. Bei erregter Magnetspule bilden sich am Rotorelement bzw. am Ankerelement jeweils zwei Magnetpole aus, wodurch eine hohe Anzugskraft erreicht wird. Ein solcher Aufbau hat sich für viele Einsatzzwecke bestens bewährt. Jedoch ist insbesondere die beschriebene Ausgestaltung des Rotorelements aufwendig und mit Kosten verbunden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einflächen-Kupplung mit einfacherem Aufbau zu schaffen, welche kostengünstiger herstellbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine, auch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Hauptanspruchs aufweisende elektromagnetisch betätigbare, schleifringlose Einflächen-Reibungskupplung gelöst.

Erfindungsgemäß ist also das Ankerelement topfartig mit einem ringscheiben-förmigen Bereich und einem zylinder­ mantel-förmigen Bereich ausgebildet. Der zylindermantel­ förmige Bereich des Ankerelements erstreckt sich mit engem radialen Luftspalt axial entlang einer Zylinderfläche des Außenmantels des Magnetkörpers, so daß der Magnetfluß vom zylindermantel-förmigen Bereich des Ankerelements über die­ sen radialen Luftspalt auf die Außenmantelfläche des Ma­ gnetkörpers übertragen wird bzw. umgekehrt. Zwischen dem ringförmigen Bereich des Ankerelements und einem axial ge­ genüberliegenden ringscheiben-förmigen Bereich des Roto­ relements ist ein überbrückbarer axialer Arbeitsluftspalt vorhanden. Beidseits dieses axialen Arbeitsluftspalt bildet sich bei erregter Spule am Rotorelement und am Ankerelement jeweils nur ein Magnetpol aus. Zwischen den Polen baut sich ein Magnetfeld auf.

Der Magnetfluß fließt also vom Magnetkörper auf das Rotorelement, von dort auf das Ankerelement und vom An­ kerelement direkt zurück auf den Magnetkörper. Am Rotorele­ ment entfällt der äußere Polschenkel des Rotorelements. Die Einlage aus unmagnetischem Werkstoff kann entfallen, wodurch das Rotorelement wesentlich einfacher und damit kostengünstiger herstellbar ist. Das Ankerelement ist einstückig ausgebildet und kann kostengünstig, beispielsweise durch einen einfachen Kaltumformprozeß, hergestellt werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Nabe des Rotorelements radial innerhalb und wenigstens teilweise im selben axialen Bauraum wieder Magnetkörper angeordnet und das Rotorelement und der Magnetkörper sind jeweils radial gestuft ausgebildet. Jeweils eine Zylinder­ mantel-Außenfläche der Nabe des Rotorelements ist durch einen engen radialen Luftspalt von einer Zylindermantel- Innenfläche des Magnetkörpers getrennt. Der unterhalb der Stufen verbleibende Materialquerschnitt des Rotorelements ist an den Magnetfluß angepaßt, so daß an dieser Stelle unerwünschte hohe Magnetflußdichten verhindert werden. Ge­ genüber einer konischen Ausbildung der Nabe des Rotorele­ ments bzw. des Magnetkörpers wird der Vorteil erzielt, daß Toleranzen in der Axialstellung zwischen Rotorelement und Magnetkörper ohne Auswirkung auf die Größe des radialen Luftspalts bleiben.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft das Federelement, welches das Ankerelement dreh­ fest, jedoch axial auslenkbar, auf der dem Ankerelement zugeordneten zweiten drehbaren Welle fixiert. Es ist als einstückige Membranfeder mit einem äußeren ringscheiben­ förmigen Bereich und einem inneren dreieck-förmigen Bereich ausgebildet. Der ringscheiben-förmige Bereich weist drei gleichmäßig am Umfang verteilte äußere Befestigungsbohrun­ gen für das Ankerelement auf und jeder Schenkel des drei­ eck-förmigen Bereichs weist mittig eine innere Befesti­ gungsbohrung für die Welle auf. Jeweils eine äußere und eine innere Befestigungsbohrung sind gleichwinklig angeord­ net. Die Ecken des dreieck-förmigen Bereichs münden in den ringscheiben-förmigen Bereich, wodurch winkelversetzt zu den Befestigungsbohrungen drei Knotenpunkte entstehen. Die axiale Federkraft, welche bei Betätigung der Magnetkupplung überwunden werden muß, ist sehr gering. Durch die beschrie­ bene Ausgestaltung des Federelements wird jedoch gleichzei­ tig eine sehr hohe Drehsteifigkeit und Spielfreiheit bezüg­ lich Verdrehung erzielt, was sich positiv auf das Ansprech- und Geräuschverhalten der Kupplung auswirkt. Da die Befe­ stigungsbohrungen für das Ankerelement und für die Welle in verschiedenen Radienbereichen des Federelements liegen, ist die Verbindung zwischen Welle und Ankerelement axial sehr kurzbauend, da die Befestigungselemente, beispielsweise Niete oder Schrauben, radial versetzt im selben axialen Bauraum anzuordnen sind.

Am Rotorelement und am Ankerelement bildet sich je­ weils nur noch ein Pol aus. Gegenüber einer zweipoligen Ausführung ist dadurch die sehr oft kritische axiale An­ zugsreserve gegen den notwendigen Arbeitsluftspalt bzw. gegen die in vielen Fällen notwendige Rückstellkraft der Ankermitnahme etwa verdoppelt. Das erlaubt eine etwas grö­ ßere Toleranz für die Größe des Arbeitsluftspalts, welche sich günstig auf die Herstellkosten auswirkt.

Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsge­ mäße Einflächen-Kupplung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Ankerbaugruppe und

Fig. 3 eine Draufsicht auf ein Federelement zeigen.

In Fig. 1 ist mit 2 eine erste drehbare Welle und mit 4 eine zweite drehbare Welle bezeichnet. Die Wellen 2, 4 sind mittels Kugellager 6, 8 bzw. 10 in nicht näher darge­ stellten Gehäuseabschnitten drehbar gelagert. Radial inner­ halb des Magnetkörpers ist ein Kugellager 11 angeordnet, dessen Innenring auf der ersten drehbaren Welle 2 sitzt. Die beiden Wellen 2, 4 sind durch die Einflächen- Reibungskupplung 12 wahlweise aneinander kuppelbar oder frei gegeneinander verdrehbar. Das Rotorelement 14 der Ein­ flächen-Reibungskupplung ist fest mit der ersten drehbaren Welle 2 verbunden. Es ist durch einen engen axialen Ar­ beitsluftspalt 5 von beispielsweise 0,5 mm vom Ankerelement 16 getrennt. Das Ankerelement 16 ist mit einer einstückig ausgebildeten Membranfeder 18 und Schrauben 22 drehfest, jedoch axial auslenkbar, mit einem Flansch 20 der zweiten drehbaren Welle 4 verbunden. Der Magnetkörper 24 ruht im nur teilweise dargestellten Gehäuse 26. Er ist rotations­ symmetrisch mit U-för-migem Querschnitt ausgebildet. Zwi­ schen einer Innenmantelfläche 24A und einer Außenmantelflä­ che 24B ist eine Magnetspule 28 eingebettet, welche über elektrische Anschlüsse 30 mit elektrischem Strom versorgbar ist.

Bei erregter Magnetspule 28 wird ein Magnetfeld er­ zeugt, dessen Feldlinien 32 angedeutet sind. Das Ankerele­ ment 16 erfährt eine Axialkraft und bewegt sich auf das Rotorelement 14 zu, bis schließlich der Arbeitsluftspalt S überbrückt ist und das Ankerelement 16 am Rotorelement 14 reibschlüssig anliegt. In diesem Schaltzustand sind die beiden drehbaren Wellen 2, 4 drehfest miteinander verbun­ den, so daß Drehmoment übertragen werden kann.

Das Ankerelement 16 ist topfartig ausgebildet mit ei­ nem ringscheiben-förmigen Bereich 16A und einem zylinder­ mantel-förmigen Bereich 16B. Der zylindermantel-förmige Bereich 16B taucht in einen Ringspalt ein, der zwischen Magnetspule 28 und der Außenmantelfläche 24B vorhanden ist. Der zylindermantel-förmige Bereich 16B des Ankerelements erstreckt sich mit engem radialen Luftspalt entlang der inneren Zylinderfläche des Außenmantels 24B des Magnetkör­ pers. Bei einer zur dargestellten Ausführungsform alterna­ tiven Ausführung umfaßt der zylindermantel-förmige Bereich des Ankerelements den äußeren Mantel 24B des Magnetkörpers, so daß ein radialer Luftspalt radial außerhalb des Magnet­ körpers gebildet wird. Wesentlich ist, daß zwischen dem zylindermantel-förmigen Bereich 16B des Ankerelements und einer Zylindermantelfläche des Außenmantels 24B des Magnet­ körpers ein enger radialer Luftspalt entsteht, welcher sich axial erstreckt, so daß Magnetfluß direkt vom Ankerelement 16 auf den Magnetkörper 24 übertragen wird. Sowohl das An­ kerelement 16 als auch das Rotorelement 14 sind im Bereich des Arbeitsluftspalts S bzw. der Reibflächen in radialer Richtung magnetisch gleichförmig ausgebildet, d. h., sie bestehen aus nur einem Material. Es sind keine unmagneti­ schen Bereiche vorhanden. Bei magnetischer Erregung bildet sich am Ankerelement und am Rotorelement im Bereich des Arbeitsluftspalts jeweils nur ein einziger Magnetpol aus. Hierdurch wird eine sehr einfache Herstellung des Rotorele­ ments 14, z. B. als Drehteil, ermöglicht. Die Topfform des Ankerelements kann sehr kostengünstig, z. B. durch einen Kaltumformprozeß, hergestellt werden.

Die Nabe des Rotorelements 14 ist radial innerhalb des Innenmantels 24A des Magnetkörpers und teilweise im selben axialen Bauraum wie der Magnetkörper 24 angeordnet. Im Be­ reich der Nabe des Rotorelements 14 ist sowohl der Rotor als auch der umschließende Innenmantel des Magnetkör­ pers 24A radial gestuft ausgebildet, wobei jeweils eine Zylindermantel-Außenfläche der Nabe des Rotorelements durch einen engen radialen Luftspalt von einer Zylindermantel- Innenfläche des Innenmantels 24A des Magnetkörper getrennt ist. Bei einer großen axialen Gesamterstreckung der radia­ len Luftspalte ist der Magnetfluß führende Querschnitt des Rotorelements 14 sowie des Magnetkörpers 24 an die Höhe des lokalen Magnetflusses angepaßt. Es entstehen keine uner­ wünschten Magnetflußspitzen bzw. Engstellen.

In der in Fig. 2 gezeigten Draufsicht der Ankerbau­ gruppe ist neben dem Ankerelement 16 mit dem ringscheiben­ förmigen Bereich 16A und dem zylindermantel-förmigen Be­ reich 16B die Membranfeder 18 zu sehen, welche mittels der Befestigungsschrauben 22 an dem Flansch 20 der Welle 4 be­ festigt ist. Mit 34 ist die ringscheiben-förmige, ankerele­ ment-seitige Reibfläche bezeichnet. Das Ankerelement weist eine zentrale Öffnung auf, durch die die dahinterliegenden Bauteile zu sehen sind.

Schließlich ist in Fig. 3 die besondere Ausgestaltung des Federelements 18 dargestellt. Es ist eine einstückige Membranfeder mit einem äußeren ringscheiben-förmigen Be­ reich 36 und einem inneren dreieck-förmigen Bereich 38. Der ringscheiben-förmige Bereich 36 weist drei gleichmäßig am Umfang verteilte äußere Befestigungsbohrungen 40 auf. Jeder Schenkel des dreieck-förmigen Bereichs 38 weist mittig eine innere Befestigungsbohrung 42 zur Befestigung am Flansch 20 der zweiten drehbaren Welle 4 auf. Die drei äußeren und die drei inneren Befestigungsbohrungen sind gleichwinklig ange­ ordnet. Die Ecken des gleichseitig dreieck-förmigen Be­ reichs münden in den ringscheiben-förmigen Bereich. Der Umkreisradius des gleichseitig dreieckförmigen Bereichs entspricht in etwa dem Radius des ringförmigen Bereichs. Im Überlappungsbereich entstehen winkelversetzt zu den Befe­ stigungsbohrungen 40, 42 drei Knotenpunkte 44. Die Membran­ feder kann beispielsweise durch Laser-Schnittechnik aus einem Federstahlblech gefertigt werden. Die Membranfeder ist außerordentlich drehsteif und dabei axial federnd nach­ giebig. Durch die einstückige Ausbildung und die geringe Anzahl von Befestigungspunkten 40, 42 ist sie sehr montage­ freundlich, die radial versetzte Anordnung der Befesti­ gungsbohrungen 40, 42 erlaubt, die Befestigungsschrauben 22 (Fig. 1) im selben axialen Bauraum wie der ringscheiben­ formige Bereich 16A des Ankerelements anzuordnen, wodurch eine insgesamt geringe axiale Baulänge erzielt wird.

Bezugszeichen

2

erste drehbare Welle

4

zweite drehbare Welle

6

Lager

8

Lager

10

Lager

11

Lager

12

Einflächen-Reibungskupplung

14

Rotorelement

16

Ankerelement

18

Membranfeder

20

Flansch

22

Befestigungsschraube

24

Magnetkörper

24

A Innenmantel des Magnetkörpers

24

B Außenmantel des Magnetkörpers

26

Gehäuse

28

Magnetspule

30

elektrischer Anschluß

32

Magnetfeldlinien

34

Reibfläche

36

ringscheiben-förmiger Bereich

38

gleichseitig dreieck-förmiger Bereich

40

äußere Befestigungsbohrungen

42

innere Befestigungsbohrungen

44

Knotenpunkte

Claims (3)

1. Elektromagnetisch betätigbare, schleifringlose Ein­ flächen-Reibungskupplung (12), mit einem drehfest auf ei­ ner ersten drehbaren Welle (2)angeordneten Rotorele­ ment (14), welches in Magnetflußrichtung zwischen einem feststehenden mit einer Magnetspule (28) versehenen Magnet­ körper (24) und einem auf einer zweiten drehbaren Welle (4) drehfest, jedoch axial verschieblich angeordneten Ankerele­ ment (16) angeordnet ist, wobei das Ankerelement (16) durch Magnetkraft gegen die Kraft eines Federelements (18) axial auslenkbar ist und reibschlüssig mit dem Rotorelement (14) kuppelbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ankerelement (16) topfartig mit einem ringscheibenför­ migen Bereich (16a) und einem zylindermantelförmigen Be­ reich (16b) ausgebildet ist, wobei zwischen dem ringschei­ benförmigen Bereich (16a) des Ankerelements und einem axial gegenüberliegenden ringscheibenförmigen Bereich des Roto­ relements (14) ein überbrückbarer axialer Arbeits­ luftspalt (s) vorhanden ist und sich der zylindermantelför­ mige Bereich des Ankerelements (16b) mit engem radialen Luftspalt axial entlang einer Zylinderfläche eines Außen­ mantels (24b) des Magnetkörpers (24) ersteckt, so daß der Magnetfluß vom Rotorelement (14) auf den ringscheibenförmi­ gen Bereich (16a) des Ankerelements (16) und vom zylinder­ mantelförmigen Bereich (16b) des Ankerelements (16) über den radialen Luftspalt auf den Außenmantel (24b) des Ma­ gnetkörpers (24) übertragen wird, und daß sowohl das An­ kerelement (16) als auch das Rotorelement (14) in sich im Bereich des Arbeitsluftspaltes (s) magnetisch gleichförmig ausgebildet sind, so daß sich bei magnetischer Erregung am Ankerelement (16) und am Rotorelement (14) im Bereich des Arbeitsluftspalts jeweils nur ein Magnetpol ausbildet.

2. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Nabe des Rotorele­ ments (14) radial innerhalb und wenigstens teilweise im selben axialen Bauraum wie der Magnetkörper (24) angeordnet ist, daß das Rotorelement (14) und der Magnetkörper (24) radial gestuft ausgebildet sind, wobei jeweils eine Zylin­ dermantelaußenfläche der Nabe des Rotorelements (14) durch einen engen radialen Luftspalt von einer Zylindermantelin­ nenfläche des Magnetkörpers (24) getrennt ist.

3. Reibungskupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Federelement (18) eine einstückige Membranfeder mit einem äußeren ringschei­ benförmigen Bereich (36) und einem inneren gleichseitig dreieckförmigen Bereich (38) ist, wobei der ringscheiben­ förmige Bereich (36) drei gleichmäßig am Umfang verteilte äußere Befestigungsbohrungen (40) für das Ankerelement (16) aufweist und jeder Schenkel des dreieckförmigen Be­ reichs (38) mittig eine innere Befestigungsbohrung (42) für die zweite drehbare Welle (4) aufweist, wobei die drei äu­ ßeren und die drei inneren Befestigungsbohrungen gleich­ winklig angeordnet sind und wobei die Ecken des dreieckför­ migen Bereichs in den ringscheibenförmigen Bereich münden, wodurch winkelversetzt zu den Befestigungsbohrungen drei Knotenpunkte (44) entstehen.