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Die
Erfindung betrifft eine Überlastschutzvorrichtung
mit einem Primärabschnitt
zur Ankopplung der Überlastschutzvorrichtung
an eine Antriebsvorrichtung, mit einem Sekundärabschnitt zur Ankopplung der Überlastschutzvorrichtung
an eine Arbeitsvorrichtung, wobei der Primärabschnitt und der Sekundärabschnitt
um eine Drehachse gegeneinander um einen Verdrehwinkel phi verdrehbar
sind, und mit einem Federelement, das zwischen dem Primärabschnitt
und dem Sekundärabschnitt
zwischengeschaltet ist und derart ausgebildet ist, dass das Federelement
einer Verdrehung von Primär-
und Sekundärabschnitt
entgegenwirkt.
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Es
existieren eine Vielzahl von Arbeitsmaschinen, die die Eigenschaft
oder die Neigung besitzen, aus dem Dauerbetrieb heraus plötzlich zu
blockieren. Ein bekanntes Problem hierbei ist, dass die in den rotierenden
Massen der Arbeitsmaschine gespeicherte kinetische Energie (Erot = ½*Jd* ω2) bei der Blockierung die Antriebselemente
stark belastet. Insbesondere kurze Blockierzeiten können schlagartig
hohe Energiespitzen freisetzen und zu einer Spitzenbelastung der
Antriebselemente führen.
Ein ähnliches
Problem liegt auch bei Arbeitsmaschinen vor, bei denen während des
Betriebs Lastspitzen auftreten.
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Zur
Verringerung der Belastungen der Antriebselemente sind Blockierschutzeinrichtungen oder
Drehmomentbegrenzer bekannt, die zwischen Antriebsvorrichtung und
Arbeitsvorrichtung zwischengeschaltet sind und nach dem Prinzip
einer Raster-, Reib- oder Viskosekupplung arbeiten. Derartige Vorrichtungen
rutschen beim Erreichen eines bestimmten Drehmoments durch oder
werden aktiv z.B. durch einen elektrohydraulischen Regelmechanismus
ausgekuppelt, so dass die Kraftübertragung
zwischen Antriebsvorrichtung und Arbeitsvorrichtung kurzzeitig unterbrochen
ist und die Arbeitsvorrichtung quasi frei läuft.
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Diese
bekannten Vorrichtungen weisen eine Vielzahl von Nachteilen auf:
Bei der Reibkupplung kann ein unsauberes Ansprechverhalten aufgrund der
Unterschiede zwischen Haft- und Gleitreibung vorliegen. Ferner sind
der Verschleiß und
die begrenzte thermische Kapazität
problematisch. Bei der Reib- oder Rasterkupplung müssen die
Rutschmomente bzw. Rastmomente oberhalb des Motorkippmoments liegen,
um ein ständiges
Auskuppeln und somit einen vorzeitigen Verschleiß der Vorrichtung zu vermeiden.
Diese Motorkippmomente können
aber bereits zu einer hohen Belastung der Antriebsvorrichtung führen. Die
elektrohydraulisch geregelten Kupplungen können aufgrund von regelungstechnisch
bedingten Totzeiten ein langsames Ansprechverhalten aufweisen. Zudem
sind diese aufgrund des hohen Sensorik- und Regelaufwands komplex aufgebaut und
somit auch fehleranfällig.
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Aus
der Druckschrift FR 609.501 ist eine Kupplung mit einem Primärteil und
einem Sekundärteil
bekannt, wobei Primärteil
und Sekundärteil über mehrere
kurze Federn miteinander gekoppelt sind, so dass in beide Verdrehrichtungen
symmetrisch Energie von Übertragungsstößen aufgenommen
werden können.
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Die
Druckschrift
US 4,355,989 zeigt
eine Kraftübertragungseinrichtung
für eine
landwirtschaftliche Schneidmaschine, die der Arbeitshauptbewegung
der Schneidmaschine eine oszillatorische Bewegung in Form von Schwingungen überlagert.
Bei der Kraftübertragungseinrichtung
ist als Sekundärteil eine
Nabe mit Speichen vorgesehen, die über Federn mit einem Primärteil gekoppelt
ist, das als ein zur Nabe konzentrisch angeordneter Außenring
ausgebildet ist. Die Amplituden der Schwingungen sollen an der Peripherie
der Schneidtrommel der Schneidmaschine Werte zwischen 3 und 3,5
mm einnehmen.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde die Blockierfunktion bei einer Überlastschutzvorrichtung zu
verbessern.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einer Vorrichtung gemäß dem Schutzanspruch
1. Optionale Erfindungsausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung.
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Die
erfindungsgemäße Überlastschutzvorrichtung
kann bei Schreddern, Mühlen
Kettenkratzerförderer,
Hacker, Häcksler,
Brecher, Schaufelradbagger oder auch bei Anfahrvorgängen mit
Hilfe von Schleifringläufer-Motoren
vorteilhaft eingesetzt werden. Etwas allgemeiner gesagt kann die
erfindungsgemäße Überlastschutzvorrichtung
bei Vorrichtungen verwendet werden, die die Eigenschaft oder die Neigung
besitzen, aus dem Dauerbetrieb heraus plötzlich zu blockieren oder die
im Dauerbetrieb hohe Lastspitzen aufweisen.
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Es
ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung zwischen die
Antriebsvorrichtung, also z.B. einen Motor, und der Arbeitsvorrichtung, also
z.B. ein mit der Antriebsvorrichtung betriebenes Arbeitsgerät, koppelbar
ist. Hierzu weist die Vorrichtung einen Primärabschnitt auf, der mittelbar
oder unmittelbar mit der Antriebsvorrichtung koppelbar und einen
Sekundärabschnitt,
der mittelbar oder unmittelbar mit der Arbeitsvorrichtung koppelbar
ist. Primärabschnitt
und Sekundärabschnitt
sind konstruktiv derart ausgebildet und zueinander angeordnet, dass diese
gegeneinander um eine vorzugsweise gemeinsame Drehachse verdrehbar
sind. Vorzugsweise ist die Drehachse zugleich die Rotationsachse,
um die sich die Überlastschutzvorrichtung
während
einer Kraftübertragung
von Antriebsvorrichtung zur Arbeitsvorrichtung dreht. Zwischen dem
Primärabschnitt
und dem Sekundärabschnitt
ist ein Federelement vorgesehen, dass derart konstruktiv ausgebildet
und angeordnet ist, dass dessen Federkraft einer Verdrehbewegung
von Primär-
und Sekundärabschnitt
entgegenwirkt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass das Federelement sich im wesentlichen konzentrisch um die Drehachse
erstreckt und zwar über
einen Winkelbereich von mindestens 180°. Das Federelement ist also
teilkreisförmig
angeordnet, wobei der Mittelpunkt des Teilkreises auf der Drehachse
liegt. Die Federkraft des Federelements ist tangential zu dem Teilkreis
ausgerichtet. Diese erfindungsgemäße Ausführung beinhaltet den Vorteil,
dass das Federelement eine außerordentlich
große
Pufferkapazität
zur Aufnahme der in den rotierenden Massen der Arbeitsmaschine gespeicherte
kinetische Energie aufweist und somit eine Art Stoßdämpfer bei
einem Blockiervorgang bildet.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass der Primärabschnitt und der Sekundärabschnitt
jeweils ein Mitnehmerelement aufweisen, auf das sich das Federelement
jeweils endseitig abstützt
oder jeweils endseitig aufgehängt
ist.
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Vorzugsweise
ist genau ein Federelement vorgesehen. Alternativ kann vorgesehen
sein, dass mehrere Federelemente vorgesehen sind, diese jedoch parallel
zueinander geschaltet sind. Bei beiden Ausführungsformen kann das oder
die Federelemente einer Verdrehbewegung von Primär- und Sekundärabschnitt
nur in einer Drehrichtung entgegenwirken.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
bilden Primär-
und Sekundärabschnitt
gemeinsam einen Ringspalt oder einen Ringkanal, in dem das Federelement
und/oder die Mitnehmerelemente bewegbar angeordnet sind. Durch diese
Ausführungsform sind
Federelement und/oder Mitnehmerelemente vor Verschmutzungen geschützt. Zudem
werden durch einen gekapselten Aufbau der Überlastschutzvorrichtung potentielle
Verletzungsgefahren reduziert.
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Vorteilhafterweise
erstreckt sich das Federelement über
einen Bereich von bis zu 360°,
insbesondere in einem Bereich von 340° bis 355°. Das Federelement erstreckt
sich also fast über
einen Vollkreis, wobei ein geschlossener Winkelbereich, der durch die
Mitnehmerelemente belegt ist, von dem Vollkreis ausgespart ist.
Der ausgesparte Winkelbereich wird also durch die produkt- sowie
anwendungsbezogene Stärke
der Mitnehmerelemente bestimmt, die vorzugsweise in nicht-belasteter
Ruhestellung in Kontakt zueinander sind.
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Alternativ
kann sich das Federelement spiralförmig um die Drehachse herum
erstrecken und dabei mehrere Windungen aufweisen. Hierdurch ist es
möglich,
besonders lange Federelemente einzusetzen und die Pufferkapazität nochmals
zu erhöhen. Bei
allen Ausführungsformen
ist das Federelement beispielsweise als Spiralfeder oder gefaltete
Blattfeder ausgebildet. Allgemein können aber alle Arten von Druck-
oder Zugfedern als Federelement eingesetzt werden.
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Bevorzugt
ist die Überlastschutzvorrichtung mit
seinem Primärabschnitt
insbesondere über
ein Untersetzungsgetriebe mit einer Antriebsvorrichtung und mit
seinem Sekundärabschnitt
mit einer Arbeitsvorrichtung gekoppelt. Insbesondere ist die Überlastschutzvorrichtung
konstruktiv derart ausgebildet, dass Rotationen, insbesondere Mehrfachrotationen oder
Endlosrotationen über
und mittels der Überlastschutzvorrichtung übertragbar
sind oder übertragen werden.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale, Merkmalskombinationen, Vorteile und Wirkungen
auf der Basis der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung und aus den Zeichnungen. Diese zeigen jeweils in schematischer
Darstellung:
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1 eine
Prinzipdarstellung einer Maschine mit Überlastschutzvorrichtung;
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2 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer Überlastschutzvorrichtung,
welches in einer Maschine gemäß 1 verwendet
werden kann;
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3 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer Überlastschutzvorrichtung,
welches in einer Maschine gemäß 1 verwendet
werden kann.
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Gleiche
oder entsprechende Teile werden in den Figuren jeweils mit den gleichen
Bezugsziffern dargestellt.
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Die 1 zeigt
eine Prinzipdarstellung einer Maschine mit einer Überlastschutzvorrichtung 1.
Die Maschine umfasst eine Antriebsvorrichtung 2, die über ein
Untersetzungsgetriebe 3 mit der Überlastschutzvorrichtung 1 gekoppelt
ist, welche zugleich mit einer Arbeitsvorrichtung 7 gekoppelt
ist. Die Überlastschutzvorrichtung 1 weist
einen Primärabschnitt 4,
einen Sekundärabschnitt 6 und
ein Federelement 5 auf, welches Primärabschnitt 4 und Sekundärabschnitt 6 drehelastisch
miteinander verbindet. Für eine
mögliche
Ausführung
der Überlastschutzvorrichtung 1 wird
auf die Beschreibung der 2 und 3 verwiesen.
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Eine
durch die Antriebsvorrichtung 2 erzeugte Rotationsbewegung
wird über
das Untersetzungsgetriebe 3 auf eine in 1 nicht
dargestellte Abtriebswelle übertragen,
so dass diese in Rotation versetzt wird. Die Abtriebswelle ist drehsteif
mit dem Primärabschnitt 4 der Überlastschutzvorrichtung 1 verbunden,
so dass im normalen, ungestörten
Dauerbetrieb die gesamte Überlastschutzvorrichtung 1 ebenfalls
in Rotation versetzt wird. Diese Rotationsbewegung wird über eine
weitere in der 1 nicht dargestellte Welle,
die drehsteif mit dem Sekundärabschnitt 6 der Überlastschutzvorrichtung 1 verbunden ist,
auf eine Arbeitsvorrichtung 7 übertragen.
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Bei
einer plötzlichen
Blockierung oder bei einer Lastspitze der Arbeitsvorrichtung 7 erlaubt
das zwischen Primärabschnitt 4 und
Sekundärabschnitt 6 geschaltete
elastische Federelement 5 eine Verdrehung der beiden Abschnitte 4 und 6 zueinander,
derart, dass die in der Arbeitsvorrichtung 7 gespeicherte kinetische
Energie in dem Federelement 5 zumindest teilweise gespeichert
wird. Durch diese Zwischenspeicherung der Energie wird erreicht,
dass das Untersetzungsgetriebe 3 bzw. die Antriebsvorrichtung 2 keinen
abrupten Abbremsvorgängen
ausgesetzt ist.
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Die 2 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Überlastschutzvorrichtung 1 und
zwar auf der rechten Seite in einer schematischen Seitenansicht
und auf der linken Seite in schematischer Querschnittsdarstellung
entlang der Schnittlinie A-A.
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Die Überlastschutzvorrichtung 1 weist
einen rohrförmigen
Primärabschnitt 4 und
ein ebenfalls rohrförmigen
Sekundärabschnitt 6 auf,
welcher konzentrisch zu einer gemeinsamen Drehachse 8 und
zu dem Primärabschnitt 4 angeordnet
ist und von diesem übergriffen
wird, so dass zwischen Primärabschnitt 4 und
Sekundärabschnitt 6 ein
Ringspalt 9 gebildet ist.
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Auf
der dem Ringspalt 9 zugewandten Außenseite des Sekundärabschnitts 6 sowie
auf der dem Ringspalt 9 zugewandten Innenseite des Primärabschnitts 4 ist
jeweils ein Mitnehmerelement 10 angeordnet, welches in
den Ringspalt 9 hineinragt. In dem Ringspalt 9 ist
weiterhin eine Druckfeder 5 vorgesehen, die sich endseitig
jeweils an den Mitnehmerelementen 10 abstützt, konzentrisch
zu der gemeinsamen Drehachse 8 verläuft und sich in etwa über einen
Winkelbereich von 350° um
die gemeinsame Drehachse 8 erstreckt.
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Der
Primärabschnitt 4 ist
drehsteif mit einer Aufnahme 11 für eine Getriebeabtriebswelle
verbunden, wobei die Aufnahme 11 als Teil einer Wellen-Naben-Verbindung
ausgeführt
und koaxial zu der gemeinsamen Drehachse 8 angeordnet ist.
Die Aufnahme 11 wird zumindest abschnittsweise von dem
Primärabschnitt 4 und
dem Sekundärabschnitt 6 übergriffen.
Der Sekundärabschnitt 6 ist über ein
Deckelelement 12 mit einer Welle 13 drehsteif
verbunden, wobei die Welle 13 koaxial zu der gemeinsamen Drehachse 8 angeordnet
ist.
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Im
Betrieb rotiert die komplette Überlastschutzvorrichtung 1 um
die gemeinsame Drehachse 8 und zwar in der Darstellung
der 2, linke Seite gegen den Uhrzeigersinn. Kommt
es zu einer Blockierung oder einer Lastspitze einer an den Sekundärabschnitt 6 angekoppelten
Arbeitsvorrichtung, so wird der Sekundärabschnitt 6 ebenfalls
blockiert oder abgebremst. Das begrenzende Drehmoment M beträgt M = FFederkennlinie * Radius, Wobei „FFederkennlinie" die Druckkraft der Feder in Abhängigkeit
der Federkennlinie und „Radius" der Abstand zwischen
Drehachse 8 und Druckfeder 5 ist. Die Federkennlinie
ist dabei derart abgestimmt, dass im Falle einer Blockierung oberhalb
eines Grenzdrehmoments die Druckfeder 5 sich um einen bestimmten
Verdrehwinkel phi verkürzt.
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Als
Reaktion auf die Blockierung entsteht eine Relativdrehung zwischen
Primärabschnitt 4 und Sekundärabschnitt 6,
so dass die Druckfeder 5 zusammengedrückt wird und zumindest einen
Teil der kinetischen Energie der rotierenden Massen der Arbeitsvorrichtung 7 aufnimmt.
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Die 3 zeigt
eine zweite Ausführungsform der Überlastschutzvorrichtung 1,
wobei sich im Gegensatz zu der Ausführungsform in der 2 die Druckfeder 5 über einen
Winkelbereich von ca. 380° um
die gemeinsame Drehachse 8 erstreckt. Dies wird ermöglicht,
indem die Druckfeder 5 spiralförmig in dem Ringspalt 9 angeordnet
wird und die Mitnehmerelemente 10 in der Erstreckungsrichtung
der gemeinsamen Drehachse 8 versetzt angeordnet sind, Die Windungen
der Druckfeder 5 sind in der Querschnittsdarstellung auf
der linken Seite der 3 überlappend dargestellt.
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Die
Vorteile der Erfindung sind vor allem darin zu sehen, dass die Überlastschutzvorrichtung
ein sauberes determiniertes Ansprechverhalten aufgrund der Federkennlinie
und kaum Verschleiß aufweist,
einfach, überschaubar
und robust ausgebildet ist und sich keine thermischen Probleme ergeben
sowie, dass durch geeignete Wahl der Federkennlinie das Grenzdrehmoment
auch unterhalb des Motorkippmoments begrenzt werden kann.
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- 1
- Überlastschutzvorrichtung
- 2
- Antriebsvorrichtung
- 3
- Untersetzungsgetriebe
- 4
- Primärabschnitt
- 5
- Federelement,
Druckfeder
- 6
- Sekundärabschnitt
- 7
- Arbeitsvorrichtung
- 8
- Drehachse
- 9
- Ringspalt
- 10
- Mitnehmerelement
- 11
- Aufnahme
- 12
- Deckelement
- 13
- Welle