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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Elastische Klauenkupplung mit zwei
Klauenscheiben, deren Klauen ineinander greifen, wobei die Klauen
radial verlaufende Aussparungen aufweisen, die für Drehmoment übertragende
elastische Pufferelemente bogenförmige
konkave Anlageflächen
aufweisen.
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Für die Verbindung
einer Antriebs- mit einer Abtriebswelle wie sie bspw. bei Erdbohrungen
eingesetzt werden, treten bei axialer, winkliger oder radialer Verlagerung
der Wellen zueinander Rückstellkräfte auf.
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Zum
Ausgleich dieser Kräfte
sind Wellenausgleichskupplungen insbesondere mit nachgiebigen dynamisch
hoch beanspruchbaren, elastischen Elementen bekannt.
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Dazu
werden üblicherweise
Bolzenkupplungen und Klauenkupplungen eingesetzt. Beide Kupplungsarten
weisen elastische Elemente auf. Bei der Bolzenkupplung sind elastische
Elemente mit zylindrischen, in axialer Richtung balligen Konturen
und zum Teil gewellten Oberflächen
auf Stahlbolzen in axialer Richtung in zylindrische Bohrungen eines Kupplungsflansches
eingesetzt.
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Bei
Klauenkupplungen greifen die Klauen von zwei Klauenscheiben ineinander
ein und sind über
elastische Puffer oder Pufferelemente in Drehrichtung zur Übertragung
eines Drehmoments verbunden. Als Ausbildung des Puffers bietet sich
bspw. ein Pufferring mit in axialer Richtung angeordneten zylindrischen
Elementen an, es können
aber auch zylindrische Elemente in axialer Richtung angeordnet sein.
Derartige Klauenkupplungen, wie sie Gegenstand der
DE 3234865 C2 sind, werden
beispielsweise von der Firma Tschan GmbH hergestellt und vertrieben.
Eine andere Klauenkupplung ist in der US 2003/0220146A1 beschrieben.
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Bei
der axialen, winkligen oder radialen Verlagerung der Wellen zueinander
treten Rückstellkräfte auf,
die eine erhöhte
Belastung, Reibung und Verschleiß vor allem bei den Pufferelementen
erzeugen. Zylindrische Pufferelemente, die in radialer Richtung in
bogenförmigen
Aussparungen an ineinandergreifenden Klauen der Klauenscheiben formschlüssig eingreifen,
werden bei Belastung durch ein Drehmoment über die gesamte Länge des
zylindrischen Pufferelements ungleichmäßig belastet und sind daher schnell
zu ersetzen.
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Der
Ersatz der Pufferelemente ist eine aufwendige Angelegenheit und
führt zu
unerwünschten Ausfallszeiten
der Anlagen, deren Bestandteil die Kupplung ist. Die Wartung selbst
und die Ersatzteile führen
zu zusätzlichen
Belastungen des Anwenders.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elastische Klauenkupplung
der Eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass der Wartungsaufwand
gesenkt wird.
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Die
Aufgabe wird durch eine Klauenkupplung mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
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Dadurch,
dass die elastische Pufferelemente zum Inneren der Klauenkupplung
konisch ausgebildet sind, tritt eine deutlich gleichmäßigere Lastverteilung über die
gesamte Anlagefläche
der Klauen an den Pufferelementen auf. Die Lebensdauer der Pufferelemente
erhöht
sich mit der gleichmäßigeren
Belastung.
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Vorzugsweise
sind die elastischen Pufferelemente in radialer Richtung zum Achsmittelpunkt
der Klauenkupplung konisch ausgebildet. Diese spezielle Geometrie
hat den Vorteil, dass eine optimal gleichmäßige Lastverteilung über die
gesamte Pufferlänge – in radialer
Richtung betrachtet – auftritt.
Das Drehmoment wird direkt ohne ungleichmäßige Hebelwirkung bezüglich dem
Achsmittelpunkt von einer Klauenscheibe auf die zweite Klauenscheibe übertragen.
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Die
elastischen Pufferelemente sind bevorzugt zu einer radialen Symmetrieebene,
die senkrecht zur Achse der elastischen Kupplung angeordnet ist,
konisch ausgebildet. Vorteilhafterweise sind die elastischen Pufferelemente
kegelstumpfförmig ausgebildet.
Eine derartige Form ist symmetrisch und schafft eine gleichmäßige Belastung,
vor allem bei axialer, winkliger oder radialer Verlagerung der beiden
Wellen zueinander. Um die Pufferelemente in den Aussparungen zu
halten, ist eine Halte einrichtung am Umfang der äußeren Stirnfläche der
Klauen angeordnet, die die Pufferelemente in den Aussparungen hält.
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Die
Aufgabe wird auch dadurch gelöst,
dass der konkave Radius der Anlageflächen der Klauen größer als
der Radius der Pufferelemente ist. Vorzugsweise ist der Klauenradius
2–40%,
besonders bevorzugt 10–15%
größer als
der Radius der Pufferelemente. Die Klauenscheiben haben somit bei
einer axialen, winkligen und/oder radialen Verlagerung der Klauenscheiben
zueinander mehr Bewegungsspielraum und übertragen trotzdem das erforderliche Drehmoment
von einer Klauenscheibe zur nächsten und
damit auf die Antriebswelle. Es ergeben sich dadurch deutlich geringere
Rückstellkräfte bei
einer axialen, winkligen und/oder radialen Verlagerung der Klauenscheiben
zueinander und daraus folgend eine längere Standzeit der Kupplung
bzw. Vermeidung des Austauschs der elastischen Pufferelemente.
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Elastische
Pufferelemente können
aus jedem beliebigen widerstandsfähigen Kunststoffmaterial hergestellt
sein, welches den Anforderungen der Umgebung der Kupplung und den
Beanspruchungen entspricht. Vorteilhafterweise sind die elastischen Pufferelemente
aus antistatischen Material hergestellt. Dies hat den Vorteil, dass
eine elektrostatische Aufladung, die durch die ständige Reibung
der elastischen Pufferelemente an den Klauen auftreten kann weitgehend
vermieden wird. Somit werden elektrische Stromschläge mit Funkenüberschlägen, die eine
Brand- oder Explosionsgefahr
bieten, weitgehend vermieden.
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Vorteilhafterweise
können
die elastischen Pufferelemente im Wesentlichen aus nicht-thermoplastischem
Polyurethan und einem organischen Antistatikum, insbesondere aus
der Gruppe bestehend aus Ethoxilaten von Fettalkohol, Fettsäuren und
Alkylphenol, Alkylsulfaten und -phosphaten, quartären Ammoniumverbindung,
Aminderivaten, Polyethylenglykolestern und Glycerinmono- oder -distearaten hergestellt
sein. Alternativ sind die elastischen Pufferelemente aus Polyurethanen
mit Polyesterpolyolen als Alkoholkomponente hergestellt.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend genannten
noch zu erläuternden
Merkmale nicht nur in der jeweiligen angegebenen Kombination, sondern
auch in anderen Kombinationen verwendbar sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf drei zugehörige
Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Querschnitt in radialer Richtung, senkrecht zur Achsrichtung durch
eine erfindungsgemäße Klauenkupplung,
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2 eine
Draufsicht der Klauenkupplung gemäß 1, und
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3 einen
Querschnitt der Klauenkupplung in Achsrichtung und
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Die 1 zeigt
einen schematischen Querschnitt in radialer Richtung senkrecht zur
Achsrichtung A durch eine Klauenkupplung. Klauen 12 und 14 sind
jeweils mit den in den 2 und 3 gezeigten
Klauenscheiben 2 bzw. 4 einstückig verbunden. Die Klauen 12 und 14,
die in dieser Ausführungsform jeweils
in Winkel von 36° abwechselnd
zueinander angeordnet sind, haben Aussparungen, in denen elastische
Pufferelemente 16 zur Übertragung
eines Drehmoments in den Richtungen 20 aufgenommen sind.
Es sind also jeweils fünf
Klauen 12 und fünf Klauen 14 ringförmig angeordnet,
die von insgesamt 10 Pufferelementen 16 elastisch
zur Drehmomentübertragung
verbunden sind. Die Klauen 12 haben Anlageflächen 13,
die an den äußeren Umfang
der Pufferelemente 16 anstoßen und die Klauen 14 haben Anlageflächen 15.
Die zur Klauenkupplung radialen Flächen 13 bzw. 15 der
Klauen 12 und 14 sind zur Rotationsachse der Klauenkupplung
symmetrisch, sodass eine verlängerte
radiale Linie der Anlagefläche
durch den Mittelpunkt der Rotationsachse A läuft. Somit wird eine gleichmäßige Lastverteilung über die gesamte
Pufferlänge
der Pufferelemente 16 bei einer Belastung durch ein Drehmoment
erzielt. Diese gleichmäßige Lastverteilung
führt zu
einer deutlich höheren
Lebensdauer, so dass die Abstände
der Wartungszyklen sich deutlich vergrößern.
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Die
elastischen Pufferelemente 16 sind durch eine Halteeinrichtung 10 in
den Aussparungen gehalten. Die Halteeinrichtung 10 ist
bei dieser Ausführungsform
ein ge schlossener Ring, ein „Haltering". Der Haltering ist
aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur in der 3 im Querschnitt dargestellt.
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Die 2 zeigt
einen auf einer Ebene abgerollten Ausschnitt einer Draufsicht der
Klauenkupplung mit drei Pufferelementen 16. Zwei Pufferelemente 16 umschließen jeweils
eine Klaue 12 der Klauenscheibe 2 und zwei Pufferelemente 16 umschließen eine
Klaue 14 der Klauenscheibe 4, wobei das mittlere
Pufferelement 16 sowohl an der Klaue 12 als auch an
der Klaue 14 anliegt. Die Klauen 12, 14 haben
jeweils gegenüberliegende
konkave Anlageflächen 13, 15,
an denen die elastischen Pufferelemente 16 anliegen. Die
konkaven Anlageflächen 13, 15 sind
nicht exakt formschlüssig
zu den elastischen, kegelstumpfförmigen
Pufferelementen 16. Die konkaven Anlageflächen 13 und 15 haben
einen größeren Radius 22 bzw. 24,
als der Radius 26 der kegelstumpfförmigen elastischen Pufferelemente 16.
Alle Radien 22, 24 und 26 der konkaven
Anlageflächen 13, 15 und
der Pufferelemente 16 verjüngen sich zum Achsmittelpunkt.
Der größere Radius 22, 24 der
Anlageflächen 13, 15 schafft
eine größere Auslenkmöglichkeit in
der Klauenkupplung bei einer axialen, winkligen und radialen Verlagerung,
so dass geringere Rückstellkräfte auftreten.
Dies führt
zu niedrigeren Laufgeräuschen
sowie geringeren Drehmomentbelastungen der elastischen Pufferelemente
im Betrieb. Die erfindungsgemäßen elastischen
Pufferelemente 16 haben geringeren Verschleiß und die
Lebensdauer der Pufferelemente 16 erhöht sich.
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Die 3 zeigt
die elastische Klauenkupplung im axialen Querschnitt entsprechend
dem Schnitt der 1. Die 3 zeigt
Klauenscheiben 2, 4 mit ineinander greifenden
Klauen 12, 14. Die Pufferelemente 16 sind
zum Teil gestrichelt verdeckt dargestellt. Die Pufferelemente 16 sind
auch in dieser Ansicht konisch zu einer radialen Symmetrieebene S,
zum Achsmittelpunkt der elastischen Klauenkupplung, ausgebildet,
so dass aus der Betrachtung mit der 1 und 2 eine
Kegelstumpfform der elastischen Pufferelemente 16 für den Fachmann
erkennbar ist.
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Die
Pufferelemente 16 sind bevorzugt aus nicht thermoplastischem
Polyurethan und einem organischen Antistatikum hergestellt. Nicht
thermoplastisches Polyurethan besitzt den Vorteil, dass es auch
bei erhöhten
Temperaturen formstabil bleibt.
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Vorteilhafterweise
können
für das
Polyurethan als Polyole Polyesterpolyole oder aber Butandiol verwendet
werden. Durch die Diole kann die Netzwerkdichte gesteuert und Einfluß auf die
Eigenschaften genommen werden.
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Als
besonders bevorzugte Isocyanatkomponente ist 1,5-Naphthylendiisocyanat
geeignet.
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Das
organische Antistatikum kann beispielsweise aus der Gruppe bestehend
aus Ethoxilaten von Fettalkoholen, Fettsäuren und Alkylphenolen, Alkylsulfate
und -phosphate, quartären
Ammoniumverbindungen, Aminderivaten, Polyethylenglykolestem, Glycerinmono-
oder -distearaten ausgewählt
sein. Besonders bevorzugt werden quartäre Ammoniumverbindungem verwendet,
die in günstiger
Weise an den polaren Gruppen des Polyurethan haften und derart eine
Langzeit-Antistatik verursachen, ohne aber das Verhalten des Kunststoffes
als solcher zu verändern.
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Die
günstigen
Eigenschaften des nicht-thermoplastischen Polyurethans bleiben also
erhalten.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn das elastisches Pufferelement 16 einen
Oberflächenwiderstand
von weniger als 3·108 Ohm aufweist. Durch den relativ geringen
Oberflächenwiderstand
ist ein Einsatz der Kupplungen in brand- bzw., explosiongefährdeter Umgebung
möglich.
Durch den Zusatz eines Antistatikums der besonders geeigneten Gruppe
der quartären
Ammonium-Antistatika kann eine gleichbleibende, langanhaltende antistatische
Wirkung erzielt werden.
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Die
elastischen Pufferelemente 16 eignen sich besonders für den Einsatz
im Bergbau, wie dem Steinkohlebergbau.
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Besonders
geeignet ist nicht thermoplastisches Polyurethan mit einer Shore-Härte zwischen 60
bis 100 A, bevorzugt 65 bis 96 A und besonders bevorzugt 70 bis
96 A.
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Durch
die Herabsetzung des Oberflächenwiderstands
durch ein Antistatikum ist ein Einsatz desselben in brand- bzw.
explosionsgefährdeter
Umgebung möglich.
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Die
Pufferelemente 16 können
bspw. die Bedingungen der DIN 2210 "Betriebsmittel und Betriebsstoffe aus
Kunststoffen zur Verwendung in Bergwerken" unter Tage erfüllen.
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Die
Pufferelemente 16 bestehen aus einem nicht-thermoplastischen
Polyurethan mit einer Shore-Härte
nach DIN 53505 von etwa 80–96,
einer Spannung nach DIN 53504 bei 300% Dehnung von etwa 8,5 Mpa,
eine Rückprallelastizität nach DIN 53512
von 53–57%.
Durch den Zusatz eines organischen Antistatikums aus der Gruppe
der quartären Ammoniumverbindungen,
wie Dimethylethylalkylammoniummethylsulfat wurde der Oberflächenwiderstand
der Pufferelemente 16 auf kleiner als 3·108 Ohm
eingestellt.
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Die
antistatischen elastischen Pufferelemente 16 wurden mit
einem aus Polyesterpolyol und Naphtylen-1,5-diisocyanat hergestellten
Polyurethan, wobei bei der Polymerisation Dimethylethylalleylammoniummethylsulfat
untergemischt wurde, produziert.
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Dieser
vorteilhafte elastische Kupplungswerkstoff besitzt über einen
großen
Temperaturbereich eine hohe Rückprallelastizität, sehr
niedrigen Abriebverlust, einen extrem geringen Druckverformungsrest
und eine hohe Thermostabilität.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sowie
der Zeichnung, auf deren Offenbarung interpretiert durch das Fachwissen
des Fachmanns, ausdrücklich
bezug genommen wird, so dass die Erfindung keineswegs auf die beispielhaft
dargestellten Ausführungsformen
beschränkt
ist, sondern Abweichungen und Änderungen,
wie sie dem Fachmann geläufig
sind, durchgeführt
werden können,
ohne vom Schutzumfang abzuweichen. Insbesondere wird auf die zeichnerischen Darstellungen
für die
Erfindung als wesentlich verwiesen.