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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kupplungselement zur kraftschlüssigen Verbindung mit einer Welle.
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Wellen-Naben-Verbindungen sind in vielfältiger Ausführung bereits seit vielen Jahren aus dem Stand der Technik bekannt. In der Regel werden diese Verbindungen als formschlüssige Verbindungen, beispielsweise über eine Verzahnung zwischen einem Flansch und einer Welle, oder als kraftschlüssige Verbindungen ausgeführt, wobei ein Anschlussflansch auf die Welle aufgepresst wird. Darüber hinaus sind lösbare kraftschlüssige Klemmverbindungen zwischen einer Welle und einem Flansch bekannt, wobei der Flansch durch eine Verschraubung derart mit der Welle verbunden wird, dass eine kraftschlüssige Verbindung entsteht, über die ein Drehmoment übertragen werden kann.
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Dabei sind sowohl einteilige Klemmflansche als auch mehrteilige Klemmflansche bekannt. So ist beispielsweise ein Klemmflansch in Form einer Scheibe mit einer zentrischen Öffnung bekannt, wobei der Klemmflansch in axialer Richtung über ca. dreiviertel seines Durchmessers einen Schlitz aufweist, wobei der Schlitz durch eine Verschraubung zusammengedrückt werden kann, dass der Durchmesser der zentrischen Öffnung derart reduziert wird, dass eine kraftschlüssige Verbindung mit einer Welle hergestellt werden kann. Ein solcher Klemmflansch ermöglicht zwar eine einfache Verbindung und eine einfache Ausrichtung des Klemmflansches zur Welle, jedoch können mit einem solchen Klemmflansch nur geringe Kräfte und Drehmomente übertragen werden. Zudem besteht die Gefahr, dass es entlang des Schlitzes zu einer Kerbbildung und davon ausgehend zu einem Bruch des Bauteils kommt.
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Ferner sind aus dem Stand der Technik mehrteilige Klemmflansche bekannt, wobei zumindest zwei Teile eines Klemmflansches über eine Vielzahl von Schrauben, in der Regel sechs bis zwölf Schrauben, miteinander verbunden werden, wobei der Klemmflansch im Bereich der Teilung weitestgehend symmetrisch ausgebildet ist. Solche Klemmflansche erlauben zwar eine stabile Verbindung des Klemmflansches mit der Welle, jedoch ist eine Ausrichtung und Montage des Klemmflansches gegenüber der Welle aufgrund der Vielzahl von Schrauben aufwendig und kostenintensiv.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kupplungselement bereitzustellen, welches größere Drehmomente und Kräfte in axialer Richtung übertragen kann und sich gleichzeitig einfach und zeitsparend gegenüber der Welle ausrichten lässt.
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Die Aufgabe wird durch ein Kupplungselement zur kraftschlüssigen Verbindung mit einer Welle gelöst, welches einen Grundkörper mit einer Stirnfläche aufweist, an der eine Mehrzahl von Bohrungen zur Fixierung eines Bauteils vorgesehen sind, wobei der Grundkörper einen ersten, im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt und einen zweiten, im Wesentlichen halbschalenförmigen Abschnitt aufweist, mit einer Halbschale, wobei die Halbschale und der halbschalenförmige Abschnitt jeweils eine halbkreisförmige Ausnehmung aufweisen, welche sich zu einer zylindrischen Öffnung zusammensetzen lassen, und wobei die Halbschale und der halbschalenförmige Abschnitt des Grundkörpers zwei ebene Kontaktflächen aufweisen. Dadurch lässt sich eine einfache Ausrichtung und Montage des Kupplungselements an einer Welle ermöglichen. Unter einer zylindrischen Öffnung ist in diesem Zusammenhang eine Öffnung zu verstehen, welche im Wesentlichen zylindrisch ist und dazu eingerichtet ist, eine zylindrische Welle in dieser Öffnung aufzunehmen. Um eine entsprechende kraftschlüssige Verbindung zwischen der Halbschale, dem halbschalenförmigen Abschnitt des Grundkörpers und der Welle herzustellen, wird diese zylindrische Öffnung in einem kraftfreien und/oder in einem verspannten Zustand einen geringfügig von einer Zylinderform abweichenden ovalen Querschnitt aufweisen, der jedoch in diesem Zusammenhang durch die Bezeichnung zylindrische Öffnung umfasst sein soll.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch genannten Kupplungselements möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein aus dem Grundkörper und der Halbschale zusammengesetztes Kupplungselement eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. Dadurch ist eine entsprechend kompakte Bauweise bei gleichzeitig hoher Stabilität möglich. Somit können sowohl größere Axialkräfte als auch Drehmomente übertragen werden. Zudem ist durch die im Wesentlichen zylindrische Form gewährleistet, dass keine Teile der Kupplung über diese zylindrische Form hinausstehen, so dass ein geringes Verletzungsrisiko bzw. geringes Beschädigungsrisiko anderer Bauteile durch die zylindrische Form gewährleistet ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Grundkörper und die Halbschale jeweils genau zwei Bohrungen aufweisen, durch welche der Grundkörper und die Halbschale mittels genau zweier Fixierelemente miteinander verbunden sind. Durch eine Verbindung der Halbschale und des Grundkörpers mittels genau zweier Fixierelemente ist eine einfache und schnell durchzuführende Ausrichtung und Verbindung des Kupplungselements mit der Welle möglich. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Fixierelemente als reversibel lösbare Fixierelemente ausgebildet sind, so dass beispielsweise eine erste Klemmung zwischen dem Kupplungselement und der Welle möglich ist und in einem weiteren Schritt eine Feinjustierung der Klemmposition möglich ist. Ferner ist durch die Verwendung von reversibel lösbaren Fixierelementen gewährleistet, dass bei einer nicht korrekten Montage oder Ausrichtung des Kupplungselements zu der Welle die Verbindung wieder gelöst und neu montiert werden kann, ohne dass die Welle oder das Kupplungselement dabei beschädigt werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Kupplungselements ist vorgesehen, dass die Fixierelemente als Schrauben ausgebildet sind. Schrauben sind einfache und kostengünstige Verbindungselemente, mit denen eine hinreichend große Kraft auf das Kupplungselement übertragen werden kann, um eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Kupplungselement und der Welle zu realisieren. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung von Zylinderschrauben mit Innensechskant, da diese mit einem entsprechenden Schraubenschlüssel besonders einfach auch an schwer zugänglichen Stellen angezogen und gelöst werden können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass an dem halbschalenförmigen Abschnitt des Grundkörpers und/oder an der Halbschale des Kupplungselements Ausnehmungen zur Aufnahme von Fixierelementen ausgebildet sind. Dadurch können die Fixierelemente zumindest teilweise in den Ausnehmungen versenkt werden und es kann beispielsweise eine flache Auflagefläche für einen Schraubenkopf geschaffen werden. Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die Ausnehmungen derart ausgebildet sind, dass die Fixierelemente im montierten Zustand nicht oder nur unwesentlich über eine zylindrische Mantelfläche des Kupplungselements hinausragen. Dadurch ist eine sehr kompakte Bauweise des Kupplungselements möglich, so dass das Kupplungselement auch bei Anwendungen mit geringem Raumangebot eingesetzt werden kann.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass an dem Grundkörper eine Nut zur Aufnahme einer Passfeder ausgebildet ist. Durch eine Nut und eine Passfeder kann eine zusätzliche, formschlüssige Verbindung zwischen der Welle und dem Kupplungselement hergestellt werden, was die Ausrichtung der Welle zum Kupplungselement bzw. zu einem an der Stirnseite des Kupplungselements angeschlossenen weiteren Maschinenelements, beispielsweise eines Antriebselements, erleichtert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein axialer Spalt bei einem zusammengesetzten Kupplungselement zwischen der Halbschale und dem zylindrischen Abschnitt des Grundkörpers maximal 3 mm beträgt. Durch einen schmalen axialen Spalt ist ein Ausgleich von Fertigungstoleranzen zwischen der Halbschale und dem Grundkörper möglich. Ferner kann durch einen schmalen Spalt von weniger als 3 mm verhindert werden, dass es bei einer elastischen und/oder plastischen und/oder thermischen Verformung des Bauteils dazu kommt, dass die Halbschale und der Grundkörper sich mechanisch gegeneinander derart verspannen, dass die Klemmkraft des Kupplungselements reduziert wird. Ein axialer Spalt von mehr als 3 mm führt hingegen zu einer Bauteilschwächung des Kupplungselements und ist daher für die Übertragung einer möglichst hohen Axialkraft sowie eines möglichst hohen Drehmoments ungünstig.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bohrungen an der Stirnseite des Grundkörpers einen kleineren Durchmesser als die Bohrungen zur Aufnahme der Fixierelemente aufweisen. Da an der Stirnfläche eine Mehrzahl von Bohrungen, vorzugsweise sechs oder acht Bohrungen, ausgebildet sind und über diese Bohrungen im Allgemeinen eine ähnliche Klemmkraft aufgebracht werden muss wie über die genau zwei Bohrungen zur Verbindung des Grundkörpers mit der Halbschale, werden bei der Verbindung des Grundkörpers mit der Halbschale Befestigungselemente mit einem größeren Durchmesser und/oder einer höheren Festigkeit benötigt.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Gleiche Bauteile oder Bauteile mit gleicher Funktion sind dabei mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Dabei zeigt
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kupplungselements; und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kupplungselements.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kupplungselements 10 dargestellt. Das Kupplungselement 10 ist zweiteilig ausgeführt und umfasst einen Grundkörper 12 und eine Halbschale 22, welche mittels genau zweier Fixierelemente 30 in Form von Zylinderschrauben 32 mit Innensechskantgewinde verbunden sind. Der Grundkörper 12 weist eine Stirnfläche 14 auf, an der eine Mehrzahl von Bohrungen 16, vorzugsweise vier bis zwölf, insbesondere sechs Bohrungen 16, vorzugsweise gleichmäßig in Abständen von 60° über den Umfang der Stirnfläche 14 angeordnet, ausgebildet sind. Die Bohrungen 16 sind vorzugsweise als Sacklochbohrungen ausgebildet und können plan bzw. mit einer leichten Fase in die Stirnfläche 14 eingebracht sein, oder in Vertiefungen der Stirnfläche 14 eingebracht sein, wodurch zusätzlich eine formschlüssige Verbindung mit einem an der Stirnfläche 14 des Kupplungselements 10 angeflanschten Maschinenelement möglich ist. Der Grundkörper 12 weist einen ersten, im Wesentlichen zylindrischen Abschnitt 18 und einen zweiten, im Wesentlichen halbschalenförmigen Abschnitt 20 auf. Die Halbschale 22 weist in axialer Richtung einen Spalt 38 zu dem zylindrischen Abschnitt 18 des Grundkörpers 12 von ca. 2 mm auf. Der Spalt 38 ermöglicht eine Ausrichtung der Halbschale 22 gegenüber dem Grundkörper 12, wobei im Betrieb des Kupplungselements 10 auch gewisse elastische, plastische und/oder thermische Verformungen ermöglicht werden, ohne dass es zu einer Zerstörung des Kupplungselements 10 kommt. Der Grundkörper 12 und die Halbschale 22 weisen jeweils eine halbkreisförmige Ausnehmung 24, 26 auf, welche sich zu einer zylindrischen Öffnung 28 zusammensetzen lassen, in der eine Welle aufgenommen werden kann. Die Halbschale 22 und der Grundkörper 12 weisen jeweils zwei ebene Kontaktflächen auf. Das aus dem Grundkörper 12 und der Halbschale 22 zusammengesetzte Kupplungselement 10 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, so dass eine kompakte Bauweise des Kupplungselements 10 möglich ist.
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Der Grundkörper 12 und die Halbschale 22 weisen jeweils genau zwei Bohrungen 23 auf, durch welche der Grundkörper 12 und die Halbschale 22 mittels der genau zwei Schrauben 32 miteinander verbunden sind. Ferner weisen der Grundkörper 12 an dem halbschalenförmigen Abschnitt 20 und die Halbschale 22 Ausnehmungen 34 zur Aufnahme von Fixierelementen 30 auf. Dadurch können die Schrauben 32 zum einen in den Ausnehmungen 34 zumindest teilweise versenkt werden, was den Platzbedarf und eine Verletzungsgefahr reduziert, zum anderen entsteht so eine ebene Auflagefläche für den Schraubenkopf der Schrauben 32. Die Ausnehmungen 34 sind derart ausgebildet, dass die Schrauben 32 im montierten Zustand nicht oder nur unwesentlich über eine zylindrische Mantelfläche 36 des Kupplungselements 10 hinausragen. Das Kupplungselement 10 weist einen Durchmesser auf, welcher vorzugsweise im Bereich von 60 mm bis 400 mm, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 80 mm und 150 mm liegt. Der Durchmesser der zylindrischen Öffnung 28 liegt dabei im Bereich von 20 mm bis 320 mm, vorzugsweise im Bereich von 40 mm bis 100 mm. Als Fixierelemente 30 werden bevorzugt Schrauben mit einem Gewinde von 10 mm bis 25 mm verwendet.
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In 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kupplungselements 10 beschrieben. Bei weitestgehend gleichem oder vergleichbarem Aufbau wird im Folgenden nur auf die Unterschiede eingegangen. Entgegen der in 1 dargestellten Ausführungsform weist das in 2 dargestellte Kupplungselement 10 zusätzlich eine Nut 39 zur Aufnahme einer Passfeder auf. Die Nut 39 ist in dem halbschalenförmigen Abschnitt 20 des Grundkörpers 12 angeordnet, wobei die Nut 39 vorzugsweise mittig, d.h. jeweils 90° entfernt von den jeweiligen Kontaktflächen zur Verbindung des halbschalenförmigen Abschnitts mit der Halbschale 22 ausgebildet ist, so dass bei einer Klemmung der Welle durch die Halbschale 22 möglichst keine axialen Kräfte auf eine in der Nut 39 aufgenommene Passfeder ausgeübt werden. Dadurch wird die Passfeder mittels der Halbschale 22 bei der Montage in die Nut 39 gedrückt, so dass eine feste Verbindung zwischen der Welle, der Passfeder und dem Kupplungselement 10 entsteht. Auch wenn in dieser Ausführungsform weiterhin das Drehmoment im Wesentlichen durch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Kupplungselement 10 und der Welle erfolgt, kann durch die Passfeder die Ausrichtung der Welle zu dem Kupplungselement 10 erleichtert werden. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zudem acht Bohrungen 16 zur Fixierung eines Bauteils an der Stirnfläche 14 des Kupplungselements 10 vorgesehen, welche wiederum in gleichen Abständen, d.h. jeweils um 45° versetzt, über den Umfang der Stirnfläche 14 verteilt sind. Dabei sind die Bohrungen 16 um 22,5° gegenüber der Mitte der Nut 39 versetzt angeordnet, damit das Material des Kupplungselements 10 im Bereich der Nut 39 nicht zusätzlich durch eine Bohrung 16 geschwächt wird. Die Breite der Nut 39 wird dabei entsprechend einer geeigneten Passfeder gewählt. Der Abstand der Bohrungen 16 ist dabei so gewählt, dass bei einer gedanklichen senkrechten Verlängerung der Nutränder auf den Lochkreis der Bohrungen 16 keine Bohrung in diesem Winkelsegment liegt. Vorzugsweise ist bei einer solchen gedanklichen Verlängerung der Nutränder zusätzlich zu beiden Seiten jeweils ein Winkelbereich von mindestens 5°, besonders bevorzugt von jeweils mindestens 10° von Bohrungen ausgespart. Alternativ ist auch hier eine Bohrungsanzahl zwischen vier und zwölf Bohrungen, vorzugsweise sechs oder acht Bohrungen 16 möglich. Alternativ zu einer Klemmung zwischen der Halbschale 22 und dem Grundkörper 12 mit nur zwei Schrauben 32 ist hier eine Klemmung mittels vier Schrauben 32 dargestellt. Dazu sind an der Halbschale 22 und an dem Grundkörper 12 je vier Bohrungen 23 ausgebildet, wobei je zwei dieser vier Bohrungen 23 in einer gemeinsamen Ausnehmung 24, 26 angeordnet sind. Durch die Erhöhung der Anzahl der Schrauben 32 ist die Übertragung eines größeren Drehmomentes bei gleichem Durchmesser des Kupplungselements 10 möglich. Alternativ ist auch hier eine Ausführungsform mit genau zwei Bohrungen 23 und genau zwei Verbindungselementen 30 vorgesehen, wodurch eine besonders einfache und schnelle Montage des Kupplungselements 10 möglich ist.
