DE202011001886U1

DE202011001886U1 - Schwerlast Schaltkupplung

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Publication number: DE202011001886U1
Application number: DE202011001886U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2012-01-27
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: WO2012100927A1

Abstract

Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung mit einer Antriebseinheit (2), die bei Arbeitsdrehzahl läuft, sowie einer Synchronisiereinheit (4), und einer Abtriebseinheit (3), die bei einer beliebig anstehender Last und Differenzdrehzahl synchronisiert wird und anschließend eine formschlüssige Verbindung herstellen und wieder trennen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinheit (4) als Reibschlussverbindung mit einer Lamellenkupplung (5) und die formschlüssige Verbindung aus einem axial zur Hauptachse (1) verschiebbaren Positionierung (9), ausgeführt mit einer geraden Außenverzahnung (9a) und einer spiralförmigen Innenverzahnung (9b), die in die spiralförmige Außenverzahnung (3b) der Abtriebseite (3) eingreift, sowie einer axial positionierbaren Schiebezahn-Muffe (7), versehen mit einer geraden Innenverzahnung (7b), besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kupplung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches „Schwerlast Schaltkupplung”, wobei es sich um eine Mehrfach-Funktionskupplung, bestehend aus einer Synchronisier- und Formschluss Kupplung, handelt. Die geforderte Schaltleistung liegt im Bereich bis 100 MW oder auch darüber.
Derartige Kupplungs-Kombination ist allgemein bekannt.
Das Einsatzgebiet ist unter anderem für Pumpspeicherkraftwerke mit der Anforderung der schnellen Regelleistung.
Anforderung: Bei schnellen, marktgerechten Regelband-Leistungsanforderungen bleibt dabei der Generator/Motor am Netz und die Pumpe ist im Stillstand gefüllt. Bei Netzlast-Bedarf wird durch die angekuppelte Wasser-Turbine durch Öffnen des Regelorgans Leistung an das Netz abgegeben. Bei Netzlast-Überschuss wird die Pumpe gegen das geschlossene druckseitige Abschlussorgan mit dem Generator/Motor synchronisiert und anschließend bei eingelegtem Formschluss durch Öffnen des Abschluss Organs die volle Förderleistung erzielt. Entsprechend dem Ausgleichsbedarf an Energie wird die Turbine dabei über das Reguliereinheit partial geschlossen und/oder abgekuppelt. Damit ergeben sich sehr effiziente Energieausgleichsregelungen vom Minus- bis Plus-Bereich für Pumpspeicheranlagen.
Ausführung: Üblicherweise sitzt eine derartige synchronisierfähigen Kupplung zwischen einer Antriebseinheit wie ein Motor/Generator und einer Abtriebseinheit wie eine Pumpe, wobei eine Turbine, mit einer starren Kupplung, oder eine im Stillstand ein- und ausrückbaren Zahnkupplung, beziehungsweise mit einer Überholkupplung, auf der anderen Seite des Motor/Generators angebracht ist. Die Synchronisiereinheit ist dabei wegen der großen Drehmoment-Übertragung vorwiegend mit einem hydraulischen Wandler ausgestattet, wobei der hydraulische Wandler die Synchronisation übernimmt und eine Schiebezahn-Muffe nach dem Einrasten den Formschluss herstellt.
Solche Kupplungs-Einheiten in horizontaler Bauweise sind unter anderem ausgeführt in:
„Säckingen” mit 100 MW (dargestellt in 2 und 3),
„Wehr” mit 260 MW der Schluchseewerke Freiburg. Hersteller solcher Überhol-Kupplungen sind unter anderem:
SSS Gears Limited, Synchro House, Park Road, Middlesex, TW 16 5BL. England
RENK-MAAG GmbH, Sulzer-Allee 46, CH-8404 Winterthur, Schweiz Hersteller solcher Synchronisierkupplung, ausgeführt als hydraulischer Wandler ist:
Fa. Voith Hydro Holding GmbH & CO.KG, 89522 Heidenheim, Alexanderstr. 11
Der Nachteil besteht darin, dass der Stand der Technik es bis jetzt es nicht erlaubt, die Synchronisierung anstelle mit dem Wandler durch eine Reibschlusskupplung zu ersetzen, obwohl diese einige Vorteile wie schnellere Umschaltzeiten, bei kürzerer Reaktionszeit, sowie auch ein Kostenfaktor sein kann. Es gibt gedankliche Ansätze, aber diese wurden nicht verwirklicht.
Andere Kupplungskombinationen, die als Schwerlast-Schaltkupplung bzw. Last Schaltkupplung bezeichnet werden, sind ebenfalls bekannt:
Wobei die Synchronisiereinheit aus einer Reibschlussverbindung mit einer üblichen Lamellenkupplung und die Formschlussverbindung aus einer ein- und ausrückbaren Stirnverzahnung besteht. Gegebenfalls wird noch eine Schiebezahn-Muffe darüber gestülpt.
Der Nachteil bei dieser Lösung ist der Übergang vom Reibschluss zum Formschluss nach der Synchronisation und im speziellem das Einrasten der Stirnverzahnung. Da nach dem Synchronisieren die Zahnstellung zufällig zwischen einer Zahnteilung zum liegen kommt und die Gleitreibung der Lamellenkupplung unmittelbar danach in Haftreibung übergeht, sind große Drehmoment Verstellkräfte erforderlich um die Verzahnung von An- und Abtriebseite zum Einrasten zu bringen. Es bedarf dabei große Axialkräfte auf die Stirnverzahnung um das Einrasten entgegen des Drehmoments, bei zusätzlicher Überwindung der Reibkraft, zu positionieren.
Eine zweite Möglichkeit ergibt sich auch dadurch, dass vor der eigentlichen Synchronisation bei einer gewissen Differenzdrehzahl das Einrasten der Axialverzahnung eingeleitet wird. Ein Drehmomenten Stoß ist dabei unvermeidlich.
Ein großer Nachteil liegt dabei darin, dass nach dem Einrasten große Axialkräfte erforderlich sind, um die Formschlussverbindung aufrecht zu erhalten. Üblicherweise wird dies mit Federkraft bewerkstelligt, wobei externe Kräfte auftreten und separat abgestützt werden müssen.
Wird die Stirnverzahnung ausgerückt und die Verbindung von An- und Abtriebseite ist getrennt, so muss die federgestützte Axialkraft mittels druckmittel gesteuerten Kolben-Zylindereinheit(n) aufrecht erhalten werden. Bei einem Ausfall des Steuerdruckes, kann die Stirnverzahnung wieder ungewollt einrücken, wobei die Stirnverzahnung stark in Mitleidenschaft gerät.
Solche Kupplungen sind z. B. bei Walzstraßen und bei Schiffsantrieben im Einsatz, dabei ist aber das zu beschleunigende Massenträgheitsmoment im Verhältnis zu dem insgesamt zu übertragenden Drehmoment verhältnismäßig groß. Beim Abfall der Antriebsleistung, wenn z. B. die Kupplung kurz geöffnet wird, ist der Drehzahlabfall gering. Dies ermöglicht eine gesteuerte Anpassung der Drehzahl über die Lamellenkupplung, verbunden mit einer nachgeschalteter formschlüssigen Verbindung, wie z. B. einer Stirnverzahnung.
Beim Beschleunigen einer gefüllten Pumpe die vom Stillstand zum Synchronisieren mit einer gegebenen Drehzahl laufende Antriebseinheit, wie z. B. eines Motor/Generators beschleunigt wird, wird das zu übertragende Drehmoment vor allem durch die hydraulischen Kräfte (Drehmomenten Kennlinie) bestimmt. Beim Abfall der Antriebsleistung, ergibt sich ein rasanter Drehzahlabfall, der natürliche eine nach geschaltete formschlüssigen Verbindung wie z. B. einer Stirnverzahnung erschwert, da die Zahnstellung zum Einrücken sehr willkürlich ist.
Hersteller solcher Kupplungen sind unter anderem die
Fa. Stromag AG, Hansa Str. 120, D-59425 Unna,
Fa. Ortlinghaus-Werke GmbH, Kenkhauser Str. 125, D-42929 Wermelskirchen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, nach dem Synchronisieren einen stetigen Übergang vom Reibschluss zum Formschluss zu finden, ebenso sollte dies im reversen Fall beim Auskuppeln möglich sein. Die Anforderung einer solchen Kupplung besteht im Generellem darin, dass im jedem Last- und Drehzahlbereich die Abtriebseinheit von der Antriebseinheit ein- und ausgekuppelt werden kann.
Im folgendem wird eine Maschinensatzeinheit beschrieben, wobei die Antriebseite aus einem Motor/Generator besteht, der netzgestützt synchron lauft. Auf der Abtriebseite ist eine stets gefüllte Pumpe angeordnet, die entsprechend der Erfindung, bei Bedarf ein- und ausgekuppelt werden kann, ohne den Motor/Generator vom Netz zu nehmen.
Einkuppeln: Dies wird dadurch gelöst, dass nach dem Synchronisieren der An- und Abtriebseite 2 & 3, bei eingelegter Lamellenkupplung 5, zur Findung der Zahndeckung über einen axial verschiebbaren Positionierring 9, der auf einer spiralförmigen Innenverzahnung 3b gleitet, eine entsprechende Verdrehung einer Schiebezahn-Muffe 7 soweit erfolgt, bis positive Zahnflanke 7b auf der einen Seite, mit negativer Zahnflanke 2b auf die andere treibenden Seite, der An- und Abtriebsseite, trifft. Die Schiebezahn-Muffe 7 kann jetzt, mit geringer Belastung, übergestülpt werden. Nach dem Öffnen der Lamellenkupplung 5 ist Formschluss hergestellt und die Pumpe (Abtriebseite 2) kann auf geforderte Förderleistung gefahren werden. Bedingt durch das Drehmoment und der Steigung der Innenverzahnung 3b des Positionierringes 9 wird dieser in Richtung der Ausrück- und Dämpfungseinheit 14 verschoben und am Endanschlag abgedämpft.
Auskuppeln: Dies wird dadurch gelöst, dass die Förderleistung der Pumpe durch das Schließen des druckseitigen Absperrorganes, die Leistung bei Nullförderung der Pumpe stark reduziert wird. Anschließend wird bei geöffneter Lamellenkupplung 5 der Positionierring 9 mit Hilfe der druckgesteuerte Ausrückeinheit 14, um einen begrenzten Weg abgehoben. Nach dem Anlegen der Lamellenkupplung 5, wird die Ausrückeinheit 14 entlastet und damit die Schiebezahn-Muffe 7 vom Drehmoment freigegeben. Die formschlüssige Verbindung kann getrennt werden. Anschließend kann jetzt durch das Öffnen der Lamellenkupplung 5, die Pumpe abgestellt werden.
Eine weitere Verbesserung zur Betriebssicherheit bietet eine Ausrücksperre 11 bei eingelegter Schiebezahn-Muffe 7. Sie verhindert ein unkontrolliertes Ausrücken der Schiebezahn-Muffe 7, wenn der Steuerdruck p16 ausfällt. Diese Ausrücksperre 11 kann mit Federkraft einrücken und/oder verbunden mit dem Steuerdruck geöffnet werden.
Auf die Funktion und Ausführung der Lamellenkupplung 4, (ausgeführt als Trocken- oder Nasskupplung, geometrische Abmessungen, Anzahl der Lamellen, Materialeigenschaften, Wärmebelastung, bzw. Wärmeabfuhr etc.) als Reibschlussverbindung wird hier nicht weiter eingegangen, da dies als Stand der Technik angesehen wird.
Weitere Bedingungen bzw. Vorteile dieser Erfindung sind wie folgt aufgeführt:

• Das Ein- und Ausrücken der Formschlüssigkeit bei Stillstand von An- und Abtriebseite 2 & 3, ist ohne besondere Wellen-Verdreheinrichtung möglich.
• Ist nur die Antriebseite 2 in Betreib (Pumpe steht) und die Schiebezahn-Muffe 7 ist ausgefahren, ist beim Ausfall der Steuerdruck Ölversorgung p16 kein ungewolltes Einrasten des Formschlusses der Verzahnung 2b, 7b möglich. Damit wird ein Zahn-Crash vermieden.
• Ist die An- und Abtriebseite 2 & 3 mit Formschluss verbunden (Pumpe fördert), die Lamellenkupplung 5 ist offen, dann kann beim Ausfall der Steuerdruck-Ölversorgung p16 kein ungewolltes Ausrasten des Schiebezahn-Muffe 7 erfolgen. Damit wird ein ungewolltes Trennen der Pumpe vermieden, wobei als Folge eine rasche Drehzahlumkehr mit Durchbrenn Charakter stattfinden würde. (Worst case)
• Es wirken in allen Betriebsbereichen keine zusätzlich externen Haltekräfte (Federkräfte), auf die Axiallager von An- und Abtriebseite.
• Axiale Wellenverschiebungen infolge von Axiallagerspiele und Wärmedehnungen bei langen Wellen, werden über die Schiebezahn-Muffe 7 aufgenommen.

Einen weiteren breiten Einsatzbereich unter den genannten Bedingungen können sich ebenfalls in der Schiffsantriebtechnik eröffnen, da ähnliche Anforderungen mit speziellen Applikationen, aber unter Anspruchsnahme des Hauptanspruches „Schwerlast Schaltkupplung”, gegeben sind.
Im Folgenden wird die Funktion der Erfindung anhand einer Prinzipskizze näher dargestellt und dabei der Kraftverlauf beschrieben.
Es zeigen: Die erfinderische Kupplung im Axialschnitt
Fig. 1 Bezeichnung R
In der Darstellung ist in der oberen Hälfte die Kupplung mit der Reibschlussverbindung dargestellt.
Der Kraftverlauf verläuft von Antriebseite 2, Gehäuse 2a und der eingelegten Lamellenkupplung 5, zur Abtriebseite 2a und 2.
Fig. 1 Bezeichnung F
In der Darstellung ist in der unteren Hälfte die Kupplung mit der Formschlussverbindung dargestellt. Der Kraftverlauf verläuft von Antriebseite 2, Gehäuse 2a, der eingelegten Schiebzahn-Muffe 7 und dem Positionierring 9, zur Abtriebseite 2a und 2.
Im Folgenden werden noch aus dem Stand der Technik am Beispiel eines Pumpspeicherkraftwerkes, die Funktion und die Konstellation einer horizontal angeordneten Maschinengruppe in 2 und 3 dargestellt.
Auszug aus: Synchronisierende selbst schaltende Zahnkupplungen, in Kombinierten Antriebsanlagen hoher Leistung von Dr.-Ing. K. Stölzle Juni 1990
Bezugszeichenliste

1: Wellenachse der An- und Abtriebsseite
2: Antriebseinheit
2a: Gehäuse zur Antriebseinheit
2b: Gerade Außenverzahnung der Antriebsseite
3: Abtriebseinheit
3a: Gehäuse zur Abtriebseinheit
3b: Spiralförmige Außenverzahnung der Abtriebseinheit
4: Synchronisiereinheit
5: Lamellenkupplung
7: Schiebezahn-Muffe
7a: Gehäuse der Schiebezahn-Muffe
7b: Gerade Innenverzahnung der Schiebezahn-Muffe
9: Positionierring
9a: Gerade Außenverzahnung des Positionierringes
9b: Spiralförmige Innenverzahnung des Positionierringes
10: Verstellstange des Positionierringes
10a: Durchbruch der Verstellstange des Positionierringes
10b: Führung der Verstellstange des Positionierringes
11: Ausrücksperre des Positionierringes
13: Steuereinheit der Lamellenkupplung
14: Steuereinheit der Ausrück- und Dämpfungseinheit
15: Steuereinheit des Positionierringes
15a: Dämpfungsglied der Steuereinheit zum Positionierring
16: Steuereinheit des Schiebezahn Muffe
17: Näherungsschalter
p13: Steuerdruck der Steuereinheit 13
p14: Steuerdruck der Steuereinheit 14
p15: Steuerdruck der Steuereinheit 15
p16a: Steuerdruck zum Ausrücken der Steuereinheit 16,
p16e: Steuerdruck zum Einrücken der Steuereinheit 16,
α: Steigungswinkel der spiralförmigen Außenverzahnung
R: Verlauf der Kraftlinien bei Reibschluss
F: Verlauf der Kraftlinien bei Formschluss

Claims

Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung mit einer Antriebseinheit (2), die bei Arbeitsdrehzahl läuft, sowie einer Synchronisiereinheit (4), und einer Abtriebseinheit (3), die bei einer beliebig anstehender Last und Differenzdrehzahl synchronisiert wird und anschließend eine formschlüssige Verbindung herstellen und wieder trennen kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronisiereinheit (4) als Reibschlussverbindung mit einer Lamellenkupplung (5) und die formschlüssige Verbindung aus einem axial zur Hauptachse (1) verschiebbaren Positionierung (9), ausgeführt mit einer geraden Außenverzahnung (9a) und einer spiralförmigen Innenverzahnung (9b), die in die spiralförmige Außenverzahnung (3b) der Abtriebseite (3) eingreift, sowie einer axial positionierbaren Schiebezahn-Muffe (7), versehen mit einer geraden Innenverzahnung (7b), besteht.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach erfolgter Synchronisation von Antriebsseite (2) zur Abtriebseite (3), bei eingelegter Lamellenkupplung (5), ein druckmittelbetätigtes axiales Verschieben des Positionierringes (9) soweit erfolgt, bis die Stirnseite der Verzahnung (7b) der Schiebezahn-Muffe (7) zur Deckung mit der Stirnseite der Verzahnung (2b) der Antriebseinheit (2) kommt.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei eingelegter Lamellenkupplung (5) und Deckung der Verzahnungen (7b und 2b) durch weiteres axiales verschieben der Schiebezahn-Muffe (7), eine voller Zahneingriff der Zahnflanken (2b und 7b) besteht und somit eine formschlüssige Verbindung, nach dem Öffnen der Lamellenkupplung (5), hergestellt wird.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolle der Zahn- zur Zahnlückendeckung der Verzahnung (7b) und (2b) durch elektronische Bauteile wie Näherungsschalter (17) unterstützt werden kann.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verschiebung des Positonierringes (9), verbunden mit Verstellstangen (10) positioniert wird mit einer Druckmittel und/oder Feder gesteuerte Einheit (15), die mit einem Dämpfungsglied (15a) ausgestattet ist, wobei die Abstützung vorteilhaft über das Gehäuse der Schiebezahn-Muffe (7a) erfolgt.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Verschiebung des Schiebezahn-Muffe (7) aus einer Druckmittel und/oder Feder gesteuerte Einheit (16) besteht und die axialen Verschiebekräfte vorteilhaft abgestützt über das Gehäuse der Schiebezahn-Muffe (7a) und über das Gehäuse der Abtriebseite (3a) erfolgt.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausrücken der formschlüssigen Verbindung, bei geöffneter Lamellenkupplung (5), druckgesteuert (p14) über die Ausrück- und Dämfungseinheit (14) der Positionierring (9) vom Anschlag (14a) über einen begrenzten Betrag abgehoben wird, wobei die Abtriebsseite (3) geringfügig gegen die Drehrichtung verdreht und durch Wiederanlegen der Lamellenkupplung (5) die Position so fixiert wird.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass dann bei entlastetem Steuerdruck (p14) ebenfalls die Zahnflanken (2b) und (7b) entlastet sind und die Schiebezahn-Muffe (7) ausgefahren und somit die Formschlüssigkeit getrennt werden kann.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel α zwischen 5 und 30 Grad, vorzugsweise zwischen 10 und 20 Grad liegt und je nach Drehrichtung eine plus oder minus Neigung aufweist.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausrücksperre (11) die Feder und/oder druckmittel gesteuert ausgeführt sein kann, ein ungewolltes Ausrücken der Schiebezahn-Muffe bei Ausfall der Steuerdrücke (p16a, e) verhindert.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseite (2) und die Abtriebseite (3) bei gleicher Funktion auch vertauscht werden können.
Druckmittelbetätigte Schwerlast-Schaltkupplung nach den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseite (2) und die Abtriebseite (3) auf einer gemeinsamen Achse (1) liegen.