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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betätigbare,
schleifringlose Einflächen-Reibkupplung nach
dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.
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Elektromagnetisch betätigbare
Einflächen-Kupplungen
werden aufgrund technischer Vorteile, ihres einfachen Aufbaus und
der günstigen
Außenabmessungen
in steigendem Maße
zum Automatisieren mechanischer Arbeitsabläufe im Maschinen- und Apparatebau
verwendet, z. B. bei Textilmaschinen, Verpackungs-, Druck- und Papiermaschinen
sowie Werkzeugmaschinen und andere mehr. Die Einflächen-Kupplungen
werden z. B. zum Schalten von Drehzahl- oder Geschwindigkeitsstufen
eingesetzt.
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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 eines Magnetfeldes.
Da der Magnetkörper
feststehend ist, ist kein Schleifring für die Übertragung der von der Magnetspule
aufgenommenen elektrischen Leistung erforderlich, wodurch eine weitgehende
Wartungsfreiheit erzielbar ist. Vom feststehenden Magnetkörper wird
der Magnetfluß über enge
Luftspalte auf das Rotorelement übertragen,
welches drehfest mit einer ersten drehbaren Welle, welche die An-
oder die Abtriebswelle sein kann, verbunden ist. Das scheibenförmige Ankerelement
ist mit einer zweiten drehbaren Welle drehfest verbunden. Ankerelement
und Rotorelement sind relativ zueinander axial verschieblich.
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Im nicht geschalteten Zustand werden
Rotorelement und Ankerelement durch Rückstellmittel, vorzugsweise
Federelemente, 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.
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Das Rotorelement der in der
DE-OS 26 38 944 gezeigten
Einflächen-Kupplung
besteht aus einem Nabenteil zur Verbindung mit der ersten drehbaren
Welle, einem inneren Polschenkel, welcher mit engem radialen Luftspalt
einer Innenmantelfläche des
Magnetkörpers
zugeordnet ist und welcher in eine innere Axialpolfläche übergeht,
einem äußeren Polschenkel,
welcher mit engem radialen Luftspalt einer Außenmantelfläche des Magnetkörpers zugeordnet
ist und in eine äußere Axialpolfläche übergeht. Zwischen
den Axialpolflächen
des Rotorelements ist ein Ring aus unmagnetischem Werkstoff eingelegt zur
magnetischen Isolation und gleichzeitiger mechanischer Verbindung.
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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.
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Die
DE 17 50 345 A zeigt eine elektromagnetisch
betätigbare,
schleifringlose Einflächen-Reibungskupplung
mit einem drehfest auf einer ersten drehbaren Welle angeordneten
Rotorelement, welches in Magnetflußrichtung zwischen einem feststehenden,
mit einer Magnetspule versehenen Magnetkörper und einem auf einer zweiten
drehbaren Welle drehfest, jedoch axial verschieblich angeordneten Ankerelement
angeordnet ist. Das Ankerelement ist durch Magnetkraft axial auslenkbar
und mit dem Rotorelement kuppelbar, wobei zwischen dem Ankerelement
und dem Rotorelement ein überbrückbarer, axialer
Arbeitsluftspalt vorhanden ist. Bei dieser Reibungskupplung wird
der Magnetfluß zwischen
dem Magnetkörper
und dem Rotorelement über
einen axialen Luftspalt hinweg übertragen.
Um dem Magnetfluß einen
möglichst
geringen Widerstand entgegenzusetzen, muß der Axialluftspalt möglichst
klein sein. Es ist jedoch sehr aufwendig, sehr kleine Axialluftspalte
herzustellen, insbesondere dann, wenn der Axialluftspalt von Toleranzen
von mehreren Bauteilen abhängt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Einflächen-Kupplung
mit einfachem Aufbau zu schaffen, welche kostengünstig herstellbar ist und die eine
hohe Unempfindlichkeit gegenüber
Fertigungstoleranzen aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine
die Merkmale des Hauptanspruchs aufweisende elektromagnetisch betätigbare,
schleifringlose Einflächen-Reibungskupplung
gelöst.
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Erfindungsgemäß sind also das Rotorelement
und der Magnetkörper
radial gestuft ausgebildet, wobei jeweils eine Zylindermantel-Außenfläche der
Nabe des Rotorelements durch einen engen radialen Luftspalt von
einer Zylindermantel-Fläche des Magnetkörpers getrennt
ist.
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Das Ankerelement ist topfartig mit
einem ringscheibenförmigen
Bereich und einem zylindermantel-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
diesen radialen Luftspalt auf die Außenmantelfläche des Magnetkörpers übertragen
wird bzw. umgekehrt. Zwischen dem ringförmigen Bereich des Ankerelements und
einem axial gegenüberliegenden
ringscheiben förmigen
Bereich des Rotorelements 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.
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Der Magnetfluß fließt also vom Magnetkörper auf
das Rotorelement, von dort auf das Ankerelement und vom Ankerelement
direkt zurück
auf den Magnetkörper.
Am Rotorelement 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.
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Die Nabe des Rotorelements ist radial
innerhalb und wenigstens teilweise im selben axialen Bauraum wie
der Magnetkörper
angeordnet und das Rotorelement und der Magnetkörper sind jeweils radial gestuft
ausgebildet. Jeweils eine Zylindermantel-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. Gegenüber
einer konischen Ausbildung der Nabe des Rotorelements 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.
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Das Federelement, welches das Ankerelement
drehfest, jedoch axial auslenkbar, auf der dem Ankerelement zugeordneten
zweiten drehbaren Welle fixiert, 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 Befestigungsbohrungen für das Ankerelement
auf und jeder Schenkel des dreieckförmigen Bereichs weist mittig
eine innere Befestigungsbohrung für die Welle auf. Jeweils eine äußere und
eine innere Befestigungsbohrung sind gleichwinklig angeordnet. 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 beschriebene Ausgestaltung des Federelements
wird jedoch gleichzeitig eine sehr hohe Drehsteifigkeit und Spielfreiheit
bezüglich
Verdrehung erzielt, was sich positiv auf das Ansprech- und Geräuschverhalten
der Kupplung auswirkt. Da die Befestigungsbohrungen 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.
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Am Rotorelement und am Ankerelement
bildet sich jeweils nur noch ein Pol aus. Gegenüber einer zweipoligen Ausführung ist
dadurch die sehr oft kritische axiale Anzugsreserve gegen den notwendigen
Arbeitsluftspalt bzw. gegen die in vielen Fällen notwendige Rückstellkraft
der Ankermitnahme etwa verdoppelt. Das erlaubt eine etwas größere Toleranz für die Größe des Arbeitsluftspalts,
welche sich günstig
auf die Herstellkosten auswirkt.
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Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnungen
erläutert,
wobei
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1 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Einflächen-Kupplung,
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2 eine
Draufsicht auf die Ankerbaugruppe und
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3 eine
Draufsicht auf ein Federelement
zeigen.
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In 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 dargestellten
Gehäuseabschnitten
drehbar gelagert. Radial innerhalb 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
Einflächen-Reibungskupplung
ist fest mit der ersten drehbaren Welle 2 verbunden. Es
ist durch einen engen axialen Arbeitsluftspalt S 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 rotationssymmetrisch
mit U-för-migem
Querschnitt ausgebildet. Zwischen einer Innenmantelfläche 24A und
einer Außenmantelfläche 24B ist
eine Magnetspule 28 eingebettet, welche über elektrische
Anschlüsse 30 mit
elektrischem Strom versorgbar ist.
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Bei erregter Magnetspule 28 wird
ein Magnetfeld erzeugt, dessen Feldlinien 32 angedeutet sind.
Das Ankerelement 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 verbunden, so daß Drehmoment übertragen
werden kann.
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Das Ankerelement 16 ist
topfartig ausgebildet mit einem ringscheiben-förmigen Bereich 16A und
einem zylindermantel-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 Magnetkörpers. Bei
einer zur dargestellten Ausführungsform
alternativen Ausführung
umfaßt
der zylindermantel-förmige
Bereich des Ankerelements den äußeren Mantel 24B des
Magnetkörpers,
so daß ein radialer
Luftspalt radial außerhalb
des Magnetkörpers
gebildet wird. Wesentlich ist, daß zwischen dem zylindermantel-förmigen Bereich 16B des
Ankerelements und einer Zylindermantelfläche des Außenmantels 24B des
Magnetkörpers
ein enger radialer Luftspalt entsteht, welcher sich axial erstreckt,
so daß Magnetfluß direkt
vom Ankerelement 16 auf den Magnetkörper 24 übertragen
wird. Sowohl das Ankerelement 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 unmagnetischen 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 Rotorelements 14, z. B. als Drehteil,
ermöglicht.
Die Topfform des Ankerelements kann sehr kostengünstig, z. B. durch einen Kaltumformprozeß, hergestellt werden.
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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 Bereich der Nabe des Rotorelements 14 ist sowohl der
Rotor als auch der umschließende
Innenmantel des Magnetkörpers 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 radialen Luftspalte ist der Magnetfluß führende Querschnitt
des Rotorelements 14 sowie des Magnetkörpers 24 an die Höhe des lokalen
Magnetflusses angepaßt.
Es entstehen keine unerwünschten
Magnetflußspitzen
bzw. Engstellen.
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In der in 2 gezeigten Draufsicht der Ankerbaugruppe
ist neben dem Ankerelement 16 mit dem ringscheibenförmigen Bereich 16A und
dem zylindermantel-förmigen
Bereich 16B die Membranfeder 18 zu sehen, welche
mittels der Befestigungsschrauben 22 an dem Flansch 20 der
Welle 4 befestigt ist. Mit 34 ist die ringscheiben-förmige, ankerelement-seitige
Reibfläche
bezeichnet. Das Ankerelement weist eine zentrale Öffnung auf,
durch die die dahinterliegenden Bauteile zu sehen sind.
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Schließlich ist in 3 die besondere Ausgestaltung des Federelements 18 dargestellt.
Es ist eine einstückige
Membranfeder mit einem äußeren ringscheiben-förmigen Bereich 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 angeordnet.
Die Ecken des gleichseitig dreieck-förmigen Bereichs münden in
den ringscheiben-förmigen
Bereich. Der Umkreisradius des gleichseitig dreieck-förmigen Bereichs
entspricht in etwa dem Radius des ringförmigen Bereichs. Im Überlappungsbereich
entstehen winkelversetzt zu den Befestigungsbohrungen 40, 42 drei
Knotenpunkte 44. Die Membranfeder kann beispielsweise durch
Laser-Schnittechnik aus einem Federstahlblech gefertigt werden.
Die Membranfeder ist außerordentlich
drehsteif und dabei axial federnd nachgiebig. Durch die einstückige Ausbildung
und die geringe Anzahl von Befestigungspunkten 40, 42 ist
sie sehr montagefreundlich, die radial versetzte Anordnung der Befestigungsbohrungen 40, 42 erlaubt,
die Befestigungsschrauben 22 (1) im selben axialen Bauraum wie der
ringscheibenförmige Bereich 16A des
Ankerelements anzuordnen, wodurch eine insgesamt geringe axiale
Baulänge
erzielt wird.
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- 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
- 24A
- Innenmantel
des Magnetkörpers
- 24B
- 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