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Die Erfindung betrifft eine elastische Wellenkupplung, insbesondere eine Wellenkupplung für den Ausgleich von axialem, radialem und winkeligem Versatz in einem Antriebsstrang.
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Auf dem Gebiet der elastischen Wellenkupplungen sind eine Vielzahl unterschiedlicher Kupplungstypen bekannt, bei welchen zwei Flansche über ein oder mehrere über den Umfang angeordnete elastische Elemente derart miteinander verbunden sind, dass ein axialer, radialer und/oder winkeliger Versatz ausgeglichen werden kann. Solche Kupplungen können z. B. in Schiffsantrieben zwischen einem Motor und einem Propeller angeordnet sein, um einen radialen, axialen und/oder winkeligen Versatz zwischen Propellerwelle und übrigem Antriebsstrang auszugleichen und um Drehschwingungen, insbesondere Resonanzen zu dämpfen.
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Die
DE 10 2005 014 985 A1 zeigt eine Membrankupplung mit zwei biegeelastischen Membranscheiben, welche jeweils einen Flansch zur Kopplung an eine Welle oder direkt an ein Aggregat aufweisen, und welche über mindestens ein elastisches Element, nämlich eine so genannte Drehelastikanordnung, in einem äußeren radialen Bereich miteinander verbunden sind.
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Aufgabe ist, eine verbesserte elastische Wellenkupplung bereitzustellen. Die elastische Wellenkupplung soll in der Lage sein, einen großen axialen, radialen und winkeligen Versatz auszugleichen, wobei gleichzeitig hohe Drehmomente übertragbar sein sollen. Nicht zuletzt ist es Aufgabe, eine elastische Wellenkupplung so zu konzipieren, dass sie auf einfache Weise an einen bestimmten Drehmoment- und Leistungsbereich angepasst werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine elastische Kupplungsscheibe gemäß Anspruch 1 und einen Kupplungsscheibenstapel gemäß dem entsprechenden nebengeordneten Anspruch sowie durch eine elastische Wellenkupplung gemäß dem entsprechenden nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine elastische Kupplungsscheibe für eine elastische Wellenkupplung weist einen inneren Radialabschnitt und einen äußeren Radialabschnitt auf, wobei der innere Radialabschnitt eine innenliegende Schnittstelle zu einem ersten Maschinenelement, wie einer Nabe, bildet und der äußere Radialabschnitt eine außenliegende Schnittstelle zu einem zweiten Maschinenelement, wie einem Flansch, bildet. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zwischen dem inneren und äußeren Radialabschnitt ein Zwischenabschnitt vorgesehen ist, welcher zusammen mit den Radialabschnitten einen Scheibenkörper bildet, der in einer radialen Richtung eine Erstreckung aufweist, die größer ist als seine Erstreckung in einer axialen Richtung, wobei die Kupplungsscheibe dazu ausgebildet ist, einen axialen Versatz und zusätzlich auch einen radialen und/oder winkeligen Versatz durch Verformung des Zwischenabschnitts auszugleichen.
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Nicht nur der gebildete Scheibenkörper kann eine größere radiale Erstreckung aufweisen, sondern auch der Zwischenabschnitt selbst. Die in radialer Richtung gestreckte Ausgestaltung liefert eine gute Verformbarkeit der Kupplungsscheibe und damit eine gute Ausgleichsmöglichkeit für axialen, radialen und winkeligen Versatz. Hierdurch kann auch ein guter Wärmeaustausch zwischen der Kupplungsscheibe und der Umgebung sichergestellt werden. Bei der geringen Dicke des Scheibenkörpers ist die Gefahr eines Wärmestaus innerhalb des durch Walken und wechselnde Zug- und Druckkräfte bewegten Zwischenabschnitts reduziert.
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Durch geeignete flexible Wahl der Anzahl der Kupplungsscheiben können die im Antriebsstrang auftretenden Resonanzfrequenzen in einen Frequenzbereich verschoben werden, welcher außerhalb eines durch die Drehzahl definierten Frequenzbereichs liegt.
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Als Radialabschnitt ist bevorzugt ein Teil der Kupplungsscheibe zu verstehen, welcher sich in einer radialen Richtung an einer bestimmten Position der Kupplungsscheibe befindet und eine bestimmte Funktion übernimmt. Bevorzugt übernimmt der innere Radialabschnitt die Funktion einer nabenseitigen Schnittstelle und der äußere Radialabschnitt die Funktion einer flanschseitigen Schnittstelle innerhalb einer elastischen Wellenkupplung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt das Verhältnis von radialer Erstreckung zu axialer Erstreckung der Kupplungsscheibe im Bereich von 20 bis 50. Mit anderen Worten ist die Kupplungsscheibe vergleichsweise dünn ausgeführt, also um einen großen Faktor größer in einer y-Richtung als in einer x-Richtung. Der Faktor liegt z. B. bevorzugt zwischen 30 bis 40. Dadurch kann die Kupplungsscheibe in der Art einer Membranscheibe ausgebildet sein, also mit einer Erstreckung in y-Richtung, die eine Erstreckung in x-Richtung um einen großen Faktor übersteigt. Die sehr gestreckte dünne Scheibenform liefert den Vorteil, dass eine einzelne Kupplungsscheibe mit Eigenschaften in Bezug auf Versatz und Drehmomentübertragung ausgebildet ist, die sich in einem engen Toleranzbereich bewegen, wodurch die Kupplungsscheibe in Verbindung mit weiteren Kupplungsscheiben eingesetzt werden kann, um elastische Wellenkupplungen für spezifische Anwendungsfälle zu realisieren. Es ergibt sich ein breites Einsatzgebiet.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht zumindest der Zwischenabschnitt aus einem Elastomermaterial. Durch Elastomermaterial in Kombination mit der Scheibenform kann insbesondere auch in Bezug auf Druck- und Scherkräfte eine gute Flexibilität und Verformbarkeit sichergestellt werden. Dies ist nicht zuletzt von Vorteil beim Ausgleich eines Winkelversatzes und eines axialen Versatzes.
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Der Zwischenabschnitt besteht bevorzugt aus einem gummiähnlichen Material wie z. B. Polyurethan oder Kautschuk. Diese Materialien eignen sich gut für den Ausgleich von Versatz, wenn gleichzeitig ein Drehmoment übertragen werden soll. Es hat sich gezeigt, dass diese Materialien selbst bei sehr dünnen Kupplungsscheiben verwendbar sind, insbesondere wenn diese in axialer Richtung in Reihe hintereinander in einer größeren Anzahl in eine Wellenkupplung angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel bestehen auch die Radialabschnitte zumindest teilweise aus einem Elastomermaterial und sind mit dem Zwischenabschnitt einstückig ausgebildet. Mit anderen Worten besteht die Kupplungsscheibe im Wesentlichen vollständig aus dem Elastomermaterial und kann damit als einheitliches Teil kostengünstig hergestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Zwischenabschnitt einen verjüngten Teil auf. Bevorzugt liegt eine Verjüngung in radialer Richtung nach außen vor. Der Zwischenabschnitt weist also in radialer Richtung nach außen eine abnehmende Dicke auf. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch bei Drehmomentbelastung zum einen eine zumindest annähernd homogene Schubspannungsverteilung erzielt werden kann. Zum anderen kann die Verjüngung nach außen Vorteile beim Wärmeaustausch liefern.
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Gemäß einer Variante kann der Zwischenabschnitt auch vollständig verjüngt sein, also nicht nur einen verjüngten Teil aufweisen, sondern vom inneren Radialabschnitt bis hin zum äußeren Radialabschnitt kontinuierlich dünner werden. Gemäß einer Variante kann der Zwischenabschnitt in axialer Richtung dünner sein als die Radialabschnitte. Hierdurch kann bei einer Vielzahl hintereinander angeordneter Kupplungsscheiben eine Schnittstelle zu einer Kupplungsnabe bzw. einem Kupplungsflansch durch die aneinander anliegenden Radialabschnitte gebildet werden, und gleichzeitig verbleibt ein Zwischenraum zwischen den Zwischenabschnitten benachbarter Kupplungsscheiben.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Radialabschnitte jeweils mindestens eine Führung auf, durch welche jeweils eine Durchgangsöffnung definiert ist. Eine erfindungsgemäße Kupplungsscheibe kann in Verbindung mit weiteren Kupplungsscheiben eingesetzt werden, um eine elastische Wellenkupplung zu bilden. Dabei können die Kupplungsscheiben an ihren jeweiligen Radialabschnitten aneinander zur Anlage kommen. Durch eine Führung in den Radialabschnitten können die Kupplungsscheiben auf einfache Weise zueinander fluchtend angeordnet werden und in ihrer Lage zueinander definiert angeordnet werden, ohne notwendigerweise fest miteinander verbunden zu sein. Dies liefert Vorteile bei der Auslegung und gewährleistet eine vorteilhafte Modularität.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die an den Radialabschnitten angeordneten Führungen als vorzugsweise metallische, in das Elastomermaterial der Kupplungsscheibe einvulkanisierte Verstärkungsringe ausgebildet. Hierdurch kann der Kupplungsscheibe in einem eingebauten Zustand eine große Stabilität und Lagegenauigkeit verliehen werden. Außerdem können Schnittstellenprobleme wie Rissbildung oder Delamination weitgehend ausgeschlossen werden.
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Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird wie erwähnt auch durch einen Kupplungsscheibenstapel gemäß dem entsprechenden nebengeordneten Anspruch gelöst. Der Kupplungsscheibenstapel ist für eine elastische Wellenkupplung vorgesehen und weist eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Kupplungsscheiben auf, wobei der Kupplungsstapel ein Verbindungsmittel aufweist, welches in miteinander fluchtenden und durch jeweilige Führungen der Kupplungsscheiben definierte Durchgangsöffnungen angeordnet ist.
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Durch einen erfindungsgemäßen Kupplungsscheibenstapel kann auf einfache Weise eine Kupplung bereitgestellt werden, welche auch bei einem hohen zu übertragenden Drehmoment optimierte elastische Eigenschaften aufweist und gleichzeitig auch bei hohen Drehzahlen eingesetzt werden kann. Denn die einzelnen Kupplungsscheiben können modular verwendet werden und so den individuellen und anwendungsspezifischen Aufbau des Kupplungsscheibenstapels festlegen. Mit Vorteil kann z. B. die Wärmeabfuhr erfindungsgemäß unabhängig von dem zu übertragenen Drehmomentbereich erfolgen. War es bisher üblicherweise erforderlich, mit steigendem Drehmoment- und steigender Leistungsübertragung eine massivere Kupplung mit mehr Masse an Elastomermaterial vorzusehen und entsprechend angepasste Vorkehrungen für eine ausreichende Wärmeabfuhr zu treffen, kann durch den Einsatz eines Kupplungsscheibenstapels, bei welchem eine Wärmeabfuhr an jeder einzelnen der Vielzahl an Kupplungsscheiben erfolgt, das Problem der Wärmeabfuhr auf gleichbleibende und äußert einfache und zuverlässige Weise gelöst werden. Dabei war es bisher auch nachteilig, dass mit höherer Masse an Elastomermaterial meist auch Einbußen hinsichtlich des Grades der Verformbarkeit hingenommen werden mussten. Auch dieses Problem kann durch eine Mehrzahl von Kupplungsscheiben gemäß der Erfindung gelöst werden, die auch im Stapelverbund zumindest annähernd noch dieselbe Flexibilität liefern wie die einzelne Kupplungsscheibe. Mit anderen Worten kann durch die Mehrzahl von Kupplungsscheiben im Stapel im Vergleich zu vorbekannten Kupplungen bei gleichbleibend guter Wärmeabfuhr ein größerer axialer, radialer und/oder winkeliger Versatz ausgeglichen werden, und/oder bei gleichem zu übertragenden Drehmoment kann eine größerer Grad der Verformbarkeit sichergestellt werden, und/oder bei gleichem zu übertragenden Drehmoment oder Versatz kann die Kupplung bei geringerer thermischer Beanspruchung betrieben werden, was die Lebensdauer des Elastomermaterials erhöht und die Übertragung höherer Leistungen ermöglicht.
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Ein aus mehreren einzelnen Scheiben aufgebauter Stapel liefert bei guter Verlagerungsfähigkeit auch den Vorteil geringer axialer und radialer Reaktionskräfte in Abhängigkeit einer axialen oder radialen Verlagerung, und auch eines geringen Reaktionsmoment bei winkeliger Beugung.
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Über die Anzahl der Kupplungsscheiben kann der Bereich für das zu übertragende Drehmoment eingestellt werden, wobei sich eine lineare Abhängigkeit von der Anzahl der Kupplungsscheiben ergibt, was zu einer besonders einfachen und praktikablen Auslegung führt.
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Bevorzugt ist ein einzelner Kupplungsscheibenstapel radial steif ausgeführt, wobei ein Radialversatz durch Verwendung von mehreren miteinander gekoppelten Kupplungsscheibenstapeln, insbesondere eine doppelkardanische Anordnung, ausgeglichen werden kann.
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Die Kupplungsscheiben können z. B. über einen oder mehrere Bolzen miteinander verbunden sein, welche jeweils durch eine Durchgangsöffnung in den Kupplungsscheiben gesteckt und darin in einer Führung geführt sind. Wahlweise können die Kupplungsscheiben auch miteinander verklemmt sein. Eine weitere Verbindung zwischen den einzelnen Kupplungsscheiben ist nicht notwendigerweise erforderlich. Die Kupplungsscheiben können trotz dieser Verbindung einen radialen, axialen und winkeligen Versatz ausgleichen, insbesondere weil die Verbindungen bevorzugt nur im Bereich eines Kupplungsflansches und/oder einer Kupplungsnabe vorgesehen sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Kupplungsscheibenstapel zwei radial zueinander versetzte Verbindungsmittel auf, die an dem inneren Radialabschnitt und an dem äußeren Radialabschnitt angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Kupplungsscheibenstapel ein Distanzelement zum Kühlen einzelner Kupplungsscheiben auf. Das Distanzelement ist dazu ausgebildet, zwischen Radialabschnitten von Kupplungsscheiben zur Anlage zu kommen und einen Durchlass festzulegen, über den ein Wärmeaustausch zwischen einem Kühlmedium (Umgebungsluft) und den Kupplungsscheiben erfolgt. Bei Rotation des Kupplungsscheibenstapels erfolgt automatisch eine Förderung des Kühlmediums radial durch den Zwischenraum zwischen den benachbarten Kupplungsscheiben (ähnlich wie bei einem Radialgebläse). Hierdurch kann auf einfache Weise und kostengünstig eine sehr effektive Kühlung des Kupplungsscheibenstapels erfolgen. Das Distanzelement kann dabei z. B. aus einer Vielzahl von einzelnen plattenartigen Teilringelementen gebildet sein, die auch unabhängig voneinander montierbar sein können.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht bei wenigstens einer der Kupplungsscheiben der Zwischenabschnitt aus einem Elastomermaterial, welches den inneren Radialabschnitt und/oder den äußeren Radialabschnitt teilweise bedeckt und/oder mit mindestens zwei unterschiedlichen Schichtstärken bedeckt, wobei am inneren Radialabschnitt und/oder am äußeren Radialabschnitt im Elastomermaterial ein Kühlkanal ausgebildet ist, der bevorzugt zumindest annähernd radial ausgerichtet ist. Hierdurch kann eine Ventilationsgeometrie durch die einzelnen Kupplungsscheiben selbst bereitgestellt werden. Ein Kühlkanal kann bereits bei der Herstellung, insbesondere Vulkanisation, der Kupplungsscheibe im Elastomermaterial ausgebildet werden. Bei aneinanderliegenden Kupplungsscheiben kann durch den Kühlkanal ein Durchlass für ein Kühlmedium gebildet werden, ohne dass Distanzelemente erforderlich sind. Im Bereich des Kühlkanals berühren sich aneinander anliegende Kupplungsscheiben nicht. Es können z. B. zwei unterschiedliche Schichtstärken des Elastomermaterials gewählt werden, wobei die kleinere Schichtstärke z. B. im Bereich der Hälfte des Betrags der größeren Schichtstärke liegt. Im Elastomermaterial ausgebildete Kühlkanäle können auch in Verbindung mit einem oder mehreren Distanzelementen einen Stapel mit vorteilhaften Ventilationseigenschaften bilden.
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Eine erfindungsgemäße elastische Wellenkupplung weist einen oder mehrere axial in Reihe hintereinander angeordnete Kupplungsscheibenstapel der oben beschriebenen Art auf. Mit anderen Worten kann eine elastische Wellenkupplung aus einer Vielzahl von einzelnen, insbesondere identischen Kupplungsscheiben gebildet werden, die vollständig oder zumindest in wesentlichen Teilen aus einem Elastomermaterial bestehen. Hierdurch können sowohl ein axialer Versatz als auch ein radialer und winkeliger Versatz in einem Antriebsstrang ausgeglichen werden. Durch die serielle Anordnung einer Mehrzahl von Kupplungsscheiben kann auf einfache Weise eine modulare Anpassung und Optimierung der elastischen Ausgleichseigenschaften und/oder der Dämpfungseigenschaften der elastischen Wellenkupplung erfolgen.
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Mittels des Kupplungsscheibenstapels bzw. des Scheibenprinzips kann eine hohe Verlustleistung der Wellenkupplung sichergestellt werden, also eine gute Fähigkeit, die aus Dämpfungsarbeit (innerer Reibung) entstehende Wärme an die Umgebung abzugeben, insbesondere da eine jeweilige Scheibe vergleichsweise dünn ausgeführt ist und beim Elastomermaterial ein großes Verhältnis von Oberfläche pro Volumen realisiert werden kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Wellenkupplung einen ersten Kupplungsscheibenstapel und einen zweiten Kupplungsscheibenstapel auf, die über eine Zwischenwelle miteinander gekoppelt sind. Hierdurch kann bei geringer Einbaulänge eine Art doppelkardanisches Gelenk bereitgestellt werden, und es ergeben sich durch den kurzbauenden Aufbau der Wellenkupplung viele Anwendungsmöglichkeiten, auch bei beengten Platzverhältnissen. Zwei Kupplungsscheibenstapel ermöglichen dabei auch eine radiale Verlagerung, selbst wenn die einzelnen Kupplungsscheibenstapel radial steif ausgeführt sind. Eine solche Anordnung kann als Verlagerungskupplung bezeichnet werden. Sie bietet vor allem dann Vorteile, wenn sie auch bei großem Versatz möglichst geringe Rückstellkräfte und -momente hervorruft, insbesondere um Lager von angeschlossenen Aggregaten (z. B. Kurbelwellenlager eines Motors, Lager einer Getriebeeingangswelle, Lager eines Generators) so wenig wie möglich zu belasten.
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Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren wird die Erfindung im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1a eine Schnittansicht eines Teils einer Kupplungsscheibe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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1b eine Schnittansicht eines Teils einer Baugruppe aus mehreren Kupplungsscheibenstapeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine Schnittansicht eines Teils einer Baugruppe aus mehreren Kupplungsscheibenstapelen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem belasteten und in axialer Richtung verformten Zustand;
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3 eine Schnittansicht eines Teils einer Baugruppe aus mehreren Kupplungsscheibenstapeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem belasteten und sowohl in axialer als auch radialer Richtung verformten Zustand;
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4 eine schematische teilweise geschnittene Darstellung einer Einbausituation einer elastische Wellenkupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit mehreren Kupplungsscheibenstapeln, wobei die elastische Wellenkupplung in ganzer radialer Erstreckung gezeigt ist;
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5a eine Schnittansicht eines Teils einer Kupplungsscheibe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5b eine Schnittansicht eines Teils einer Baugruppe aus mehreren Kupplungsscheiben gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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6 eine Detailansicht gemäß dem in 5b angedeuteten Schnitt A-A;
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7 eine Detailansicht einer Schnittstelle zwischen zwei mittelbar aneinander anliegenden Kupplungsscheibenstapeln; und
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8 eine Schnittansicht eines Teils einer Kupplungsscheibe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In der 1a ist ein Teil einer insgesamt kreisringförmigen Kupplungsscheibe 10 gezeigt, mit Bezug zu einer Symmetrieachse S. Die Kupplungsscheibe 10 ist durch einen inneren Radialabschnitt 11, einen daran anschließenden Zwischenabschnitt 12 und einen daran anschließenden äußeren Radialabschnitt 13 gebildet. Der Zwischenabschnitt 12 weist in einer x-Richtung eine geringere Erstreckung auf als die Radabschnitte 11, 13. Der Zwischenabschnitt 12 weist in einer y-Richtung im Vergleich zu der Erstreckung der Radialabschnitte 11, 13 eine größere Erstreckung auf und ist bevorzugt mindestens ebenso lang in y-Richtung wie die Radialabschnitte 11, 13, bevorzugt sogar länger.
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In der 1b ist gezeigt, auf welche Weise mehrere Kupplungsscheiben 10 einen Kupplungsscheibenstapel 20 bzw. ein Kupplungsscheibenstapelsystem 20A bilden können. Zehn Kupplungsscheiben 10 liegen mit ihren Radialabschnitten 11, 13 aneinander an und bilden einen Kupplungsscheibenstapel 20, wobei zwischen den Zwischenabschnitten 12 von aneinander anliegenden Kupplungsscheiben 10 jeweils eine Kavität K gebildet ist, welche einer Wärmeabfuhr dienen kann, was im Zusammenhang mit 6 näher beschrieben ist. In der Summe liegen drei Kupplungsscheibenstapel 20 mit jeweils zehn Kupplungsscheiben 10 vor, die jeweils über ein Zwischenelement 24 aneinander gekoppelt sind, so dass ein Kupplungsscheibenstapelsystem 20A mit einer im Vergleich zu der Erstreckung einer einzelnen Kupplungsscheibe 10 größeren Erstreckung in x-Richtung gebildet ist. Die Zwischenelemente 24 können jeweils aus einem einzelnen Teil oder aus mehreren Teilen gebildet sein. Bevorzugt sind sie aus zwei Teilen gebildet, nämlich einem an den äußeren Radialabschnitten 13 anliegenden Teil und einem an den inneren Radialabschnitten 11 anliegenden Teil. Das Kupplungsscheibenstapelsystem 20A weist eine kupplungsnabenseitige Schnittstelle 22 und eine kupplungsflanschseitige Schnittstelle 23 auf, welche im Wesentlichen durch die entsprechenden Abschnitte der einzelnen Kupplungsscheiben 10 gebildet sind.
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In der 2 ist gezeigt, auf welche Weise das Kupplungsscheibenstapelsystem 20A einen Versatz in einer x-Richtung ausgleichen kann. Das Kupplungsscheibenstapelsystem 20A ist zwischen einem ersten Maschinenelement, z. B. einer Wellennabe 2, und einem zweiten Maschinenelement, z. B. einem Flansch 3 eines Generators, angeordnet. Die Nabe 2 und der Flansch 3 sind in der 2 nur stark schematisiert angedeutet und auch nicht vollständig dargestellt. Es liegt eine Kraft T an, die zu einer Schubspannung in der x-y-Ebene führt und die nabenseitige Schnittstelle 22 in x-Richtung gegenüber der flanschseitigen Schnittstelle 23 verlagert. Eine elastische Verformung erfolgt in dem Zwischenabschnitt 12. Bei allen Kupplungsscheiben 10 liegt eine vergleichbare Verformung vor, die in diesem Beispiel der Geometrie der Kupplungsscheiben 10 folgend durch eine Biegung im Bereich des Übergangs von den Radialabschnitten 11, 13 zu dem Zwischenabschnitt 12 ermöglicht wird, wobei die Zwischenabschnitte 12 selbst weitgehend unverformt bleiben und ihre parallele Lage zueinander zumindest annähernd beibehalten. Hierdurch bleibt das Volumen der jeweiligen Kavitäten K weitgehend unverändert, was vorteilhaft ist im Hinblick auf die Wärmeabfuhr. Die Radialabschnitte 11, 13 sowie die Zwischenelemente 24 behalten ihre ursprüngliche Geometrie bei. Durch die synchrone und identische Beanspruchung der Kupplungsscheiben 10 kann die übertragbare oder übertragene Reaktionskraft auf einfache Weise durch Aufsummieren der an einer einzelnen Kupplungsscheibe 10 wirkenden Reaktionskräfte bestimmt werden.
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In der 3 ist gezeigt, auf welche Weise das Kupplungsscheibenstapelsystem 20A zusätzlich zu einem Versatz in einer x-Richtung auch einen Versatz in einer y-Richtung ausgleichen kann. Dies entspricht einem Winkelversatz. Der verformte Bereich des Kupplungsscheibenstapelsystems 20A beschränkt sich wiederum im Wesentlichen auf die Zwischenabschnitte 12. Dort wo die Schnittstellen 22 und 23 aufeinander zu bewegt werden, herrscht in den Zwischenabschnitten 12 unter anderem eine Druckkraft, und dort, wo die Schnittstellen 22 und 23 voneinander weg bewegt werden, herrscht in den Zwischenabschnitten 12 unter anderem eine Zugkraft. Durch den Aufbau des Kupplungsscheibenstapelsystems 20A aus drei Kupplungsscheibenstapeln 20 kann eine Trennung erfolgen, so dass sich einzelne Kupplungsscheiben 10 nicht gegenseitig behindern. Der Übergang von überwiegenden Zugkräften zu überwiegenden Druckkräften erfolgt dann auf moderate Weise in der mittleren der drei Kupplungsscheibenstapeln 20, selbst bei einem bedeutenden Versatzwinkel α. Durch die vergleichsweise dünne Ausführung der Zwischenabschnitte 12 sind diese selbst im Hinblick auf Druckkräfte flexibel, was herkömmlich nicht einfach bewerkstelligt werden kann. Trotz des bedeutenden Versatzwinkels α verformen sich die einzelnen Kupplungsscheiben 10 im Zwischenabschnitt 12 auf weitgehend identische Weise.
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In der 4 ist eine elastische Wellenkupplung 1 gezeigt, welche aus zwei Kupplungsscheibenstapelsystemen 20A und einer Zwischenwelle 20 aufgebaut ist. Die Kupplungsscheibenstapelsysteme 20A weisen jeweils vier miteinander gekoppelte Kupplungsscheibenstapel 20 auf. Die Kupplungsscheibenstapelsysteme 20A werden jeweils durch einen Flanschdeckel 40 und einen Stirnring 31 in Position gehalten. Bei dieser Variante einer durch einzelne Kupplungsscheibenstapel 20 gebildeten elastischen Wellenkupplung 1 kann eine Kupplung nach Art eines Kardangelenks bereitgestellt werden.
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In der 5a ist eine Kupplungsscheibe 10 gezeigt, bei welcher ein Zwischenabschnitt 12 zwischen einem äußeren Radialabschnitt 13 und einem inneren Radialabschnitt 11 vorgesehen ist, welcher in y-Richtung eine größere Erstreckung aufweist als die Radialabschnitte 11, 13, und welcher sich in y-Richtung verjüngt zu einer kleineren Dicke, also einer kleineren Erstreckung in x-Richtung. Die Radialabschnitte 11, 13 werden dabei im Wesentlichen durch die Abschnitte definiert, in welchen die Kupplungsscheibe 10 sich genau in y-Richtung erstreckt, also in einer Ebene senkrecht zur x-Richtung. In diesen Radialabschnitten 11, 13 können mehrere Kupplungsscheiben 10 aneinander zur Anlage kommen, wie in 5b gezeigt. Die Verjüngung 12a des Zwischenabschnitts 12 verläuft von innen nach außen zunächst zumindest annähernd linear und mündet kurz vor dem äußeren Radialabschnitt 13 in einem Radius r oder einen elliptischen, parabelförmigen oder hyperbolischen Abschnitt, durch welchen sich der Zwischenabschnitt 12 wieder verbreitert, also aufweitet auf die Breite des äußeren Radialabschnitts 13 und in diesen übergeht. Durch diese Geometrie wird bei zwei aneinander anliegenden Kupplungsscheiben 10 zwischen diesen eine tropfenförmige Kavität gebildet, wie in 5b gezeigt. Die Kupplungsscheibe 10 weist eine erste Führung 16 und eine zweite Führung 17 auf, durch welche eine ersten Durchgangsöffnung 16a und eine zweite Durchgangsöffnung 17a festgelegt ist. In diesen Führungen 16, 17 kann jeweils ein Verbindungsmittel wie z. B. ein Bolzen geführt sein, um aneinander anliegende Kupplungsscheiben 10 zueinander zu zentrieren bzw. eine Relativbewegung in Umfangsrichtung oder allgemein in einer x-z-Ebene zu unterbinden. Die Führungen 16, 17 können einvulkanisiert sein und auf einem Lochkreis in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet sein. In diesem Fall sind sie bevorzugt hülsenartig oder buchsenartig ausgebildet. Sie können jedoch auch z. B. als umlaufende Verstärkungsringe ausgebildet sein und an den entsprechenden Punkten Durchgangsbohrungen zum Festlegen der Durchgangsöffnungen 16a, 17a aufweisen. Die Kupplungsscheibe 10 erstreckt sich von der Symmetrieachse S aus über die Strecke y10 in y-Richtung. Es ist gezeigt, dass die Erstreckung des Zwischenabschnitts 12 über die Strecke y12 in y-Richtung groß ist in Bezug auf den Betrag y10. Bevorzugt liegt das Verhältnis von y12 zu y10 über 0,2, besonders bevorzugt über 0,3. Hierdurch kann eine gute Flexibilität sichergestellt werden.
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Der Zwischenabschnitt 12 weist bevorzugt eine radiale Erstreckung y12 auf, welche um einen Faktor zwischen 3 und 8 oder maximal 10 größer ist als eine Erstreckung x10 der Kupplungsscheibe 10 in x-Richtung, also eine Dicke der Kupplungsscheibe 10. Beispielsweise liegt die Dicke x10 im Bereich von 5 mm wenn die radiale Erstreckung y12 im Bereich von 25 mm liegt. Bei einem derart schmalen bzw. dünnen Zwischenabschnitt 12 kann eine gute Flexibilität einer einzelnen Scheibe 10 sichergestellt werden, und eine gewünschte Steifigkeit kann auf einfache Weise durch Kombination mehrerer Scheiben 10 erzielt werden.
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In der 5b ist ein Kupplungsscheibenstapel 20 bestehend aus zehn Kupplungsscheiben 10 gezeigt, wobei im Bereich eines Kupplungsrings 23 und im Bereich einer Kupplungsnabe 22 die Kupplungsscheiben 10 jeweils mit Durchgangsöffnungen 16a, 17a fluchtend zueinander angeordnet sind. In den hierdurch gebildeten Kanälen kann jeweils ein Verbindungsmittel 21 vorgesehen sein, z. B. ein Bolzen mit einem Ansatz an dem einen Ende und einem Außengewinde an dem anderen Ende. Die Verbindungsmittel 21 können sicherstellen, dass die Kraftübertragung von den Schnittstellen 22 und 23 auf daran angeordnete Maschinenelemente gleichförmig erfolgt. Der Kupplungsscheibenstapel 20 kann z. B., wie in der 1b gezeigt, mit weiteren Kupplungsscheibenstapeln 20 gekoppelt werden, welche dann eine etwa zehnfach so große Erstreckung x20a in x-Richtung aufweisen wie die einzelne Kupplungsscheibe 10. Ferner ist gezeigt, dass die Radialabschnitte 11, 13 im Wesentlichen dazu dienen, nebeneinander angeordnete Kupplungsscheiben 10 auf vorbestimmte Weise aneinander zur Anlage zu bringen, und dass die Radialabschnitte 11, 13 eine Erstreckung in y-Richtung aufweisen, die deutlich kleiner ist als eine Erstreckung in y-Richtung des Zwischenabschnitts 12.
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Hierdurch kann in Verbindung mit der Ausgestaltung als schmale Scheibe die gute Verformbarkeit der Kupplungsscheiben 10 sichergestellt werden. Gleichzeitig bleibt eine kompakte Bauform möglich.
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Der in der 5b gezeigte Kupplungsscheibenstapel 20 weist ein Distanzelement 25 auf, welche mittig zwischen fünf rechts davon und fünf links davon angeordneten Kupplungsscheiben 10 vorgesehen ist. Das Distanzelement 25 weist eine Dicke x1 (5a) auf, die etwa im Bereich von 10 bis 30 Prozent, bevorzugt 20 Prozent einer Dicke x10 einer jeweiligen Kupplungsscheibe 10 liegt. Durch das Distanzelement 25 kann Kühlluft nicht nur zwischen zwei Kupplungsscheiben 10 vorgesehen sein, sondern auch seitens der Kupplungsnabe 22 in den Kupplungsscheibenstapel 20 eintreten und an zwei Kupplungsscheiben 10 vorbei strömen und seitlich an der flanschseitigen Schnittstelle 23 aus dem Kupplungsscheibenstapel 20 entweichen. Dies stellt einen sehr effektiven Wärmeaustausch sicher. Bevorzugt ist das Distanzelement 25 aus mehreren einzeln montierbaren Ringabschnitten gebildet, die so an einer Kupplungsscheibe 10 angeordnet werden können, dass die Kühlluft einem definierten Pfad folgen muss, um an den Kupplungsscheiben 10 vorbeiströmen zu können, wie in 6 näher gezeigt.
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In der 6 ist in einer Draufsicht ein Teilausschnitt eines geschnittenen Distanzelements 25 gezeigt. Die Oberfläche des Distanzelements 25 ist durch zwei hervorstehende Teile, insbesondere Ringabschnitte 25a, 25a.1, 25a.2 strukturiert, zwischen denen Kühlluft entlang eines Pfades P geleitet werden kann. Die hervorstehenden Teile 25a.1, 25a.2 erstrecken sich kreissegmentförmig und ringartig, weisen jedoch in Umfangsrichtung Unterbrechungen auf, wodurch Durchlässe 25b, 25b.1, 25b.2 gebildet sind. Kühlluft kann entlang des skizzierten Pfades P von innen radial nach außen strömen, jedoch wird es durch den Winkelversatz zwischen den einzelnen Durchlässen 25b.1, 25b.2 zu einer Bewegung in Umfangsrichtung gezwungen. Der Winkelversatz beträgt im gezeigten Beispiel 45 Grad. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch ein guter Kompromiss zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Kontaktzeit der Kühlluft mit der angrenzenden Kupplungsscheibe 10 erzielt werden kann. Die hervorstehenden Teile 25a, 25a.1, 25a.2 sind in zweckdienlicher Weise in einem radialen Abstand von einem Mittelpunkt vorgesehen, welcher dem radialen Abstand des inneren und äußeren Radialabschnitts der Kupplungsscheibe 10 entspricht, so dass das Distanzelement 25 an den Radialabschnitten von zwei Kupplungsscheiben 10 anliegen kann und auch durch entsprechende Durchgangsöffnungen 16, 17 gegenüber den Kupplungsscheiben 10 zentriert werden kann.
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In der 7 ist im Detail gezeigt, dass das Distanzelement 25 im Schnittbild im Bereich des inneren Radialabschnitts 11 vorliegt, aber im Bereich des äußeren Radialabschnitts 13 nicht. Mit anderen Worten weist das Distanzelement 25 mindestens zwei Durchlässe auf oder legt diese durch seine Anordnung oder seinen Aufbau fest, und die Durchlässe sind im Winkelversatz zueinander angeordnet. Das Distanzelement 25 weist analog zu den Führungen 16, 17 der Kupplungsscheibe 10 einen Durchlass auf, dessen Durchmesser y1 dem Innendurchmesser der Führungen entspricht. Die Erstreckung x10 der Kupplungsscheibe 10 in x-Richtung ist deutlich größer als die Erstreckung des Distanzelements 25 in x-Richtung. Die Führungen 16, 17 sind einvulkanisiert und von jeder Stirnfläche der Kupplungsscheibe 10 um einen Betrag x2 beabstandet, so dass nicht Führungen aneinander zur Anlage kommen, sondern die Elastomerkörper selbst. Es hat sich gezeigt, dass es zweckdienlich ist, wenn der Abstand x2 etwa im Bereich von 10 bis 20 Prozent der Dicke x10 der Kupplungsscheibe 10 liegt.
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In der 8 ist eine Kupplungsscheibe 10 gezeigt, welche im Wesentlichen den Aufbau der in der 5a gezeigten Kupplungsscheibe 10 aufweist, wobei am inneren Radialabschnitt 11 und am äußeren Radabschnitt 13 auf beiden Seiten der Scheibe 10 in einzelnen Umfangssegmenten Kühlkanäle 18 (Lüftungskanäle) ausgebildet sind (angedeutet durch die gestrichelten Linien), indem ein die Radialabschnitte 11, 13 überdeckendes Elastomermaterial in einzelnen Umfangssegmenten der Kupplungsscheibe 10 die Radialabschnitte 11, 13 mit einer dünneren Schichtdicke bedeckt als in benachbarten Umfangssegmenten. Die Umfangssegmente können z. B. rotationssymmetrisch verteilt über den gesamten Umfang gewählt sein, z. B. in der Summe sechs oder acht Kühlkanäle, oder aber auch nur ein einzelner oder asymmetrisch verteilte Kühlkanäle vorgesehen sein. Mit anderen Worten ist eine Ventilationsgeometrie direkt im Elastomermaterial bzw. in der Vulkanisation ausgestaltet, was z. B.
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bereits beim Vulkanisieren selbst erfolgen kann. Bei aneinander anliegenden Kupplungsscheiben kann Kühlmedium, insbesondere Luft, durch diese Kühlkanäle 18 strömen. Wahlweise kann das Elastomermaterial abschnittsweise auch vollständig fehlen, insbesondere im Bereich von in den Radialabschnitten 11, 13 angeordneten Führungen 16, 17, so dass Kühlmedium direkt an den Führungen 16, 17 entlanggeführt wird. Hierdurch können besonders große bzw. tiefe Kühlkanäle 18 für einen hohen Durchsatz an Kühlmedium realisiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elastische Wellenkupplung
- 2
- Nabe
- 3
- Flansch
- 10
- Kupplungsscheibe
- 11
- innerer Radialabschnitt
- 12
- Zwischenabschnitt, insbesondere verjüngt
- 12a
- Verjüngung bzw. verjüngter Teil
- 13
- äußerer Radialabschnitt
- 16
- erste Führung, insbesondere einvulkanisiert
- 16a
- erste Durchgangsöffnung
- 17
- zweite Führung, insbesondere einvulkanisiert
- 17a
- zweite Durchgangsöffnung
- 18
- Kühlkanal
- 20
- Kupplungsscheibenstapel
- 20A
- Kupplungsscheibenstapelsystem
- 21
- Verbindungsmittel für Kupplungsscheibenverbindung, insbesondere Bolzen
- 22
- nabenseitige Schnittstelle
- 23
- flanschseitige Schnittstelle
- 24
- Zwischenelement
- 25
- Distanzelement, insbesondere Zwischenring
- 25a
- hervorstehender Teil
- 25a.1
- innerer hervorstehender Teil
- 25a.2
- äußerer hervorstehender Teil
- 25b
- Durchlass, insbesondere radial ausgerichtet
- 25b.1
- erster Durchlass, insbesondere Durchlass im inneren hervorstehenden Teil
- 25b.2
- zweiter Durchlass, insbesondere Durchlass im äußeren hervorstehenden Teil
- 30
- Zwischenwelle
- 40
- Flanschdeckel
- K
- Kavität
- M
- Kühlmedium, insbesondere Luft
- P
- Pfad der Kühlmediums
- S
- Symmetrieachse
- T
- Spannung oder Krafteinwirkung in einer bestimmten Richtung
- x1
- Abstand von zwei Kupplungsscheiben zueinander bei dazwischen angeordnetem Distanzelement
- x2
- Abstand um welchen eine Führung von einer Stirnfläche einer Kupplungsscheibe versetzt ist
- x10
- Erstreckung der Kupplungsscheibe in x-Richtung
- x20a
- Erstreckung eines Kupplungsscheibenstapels in x-Richtung
- y1
- Innendurchmesser einer Führung
- y10
- Erstreckung der Kupplungsscheibe in y-Richtung
- y12
- Erstreckung des Zwischenabschnitts in y-Richtung
- α
- Versatzwinkel eines Kupplungsscheibenstapels um z-Achse
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005014985 A1 [0003]
