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Mechanische Uberlastsicherung mit westigkeitsschwachstelle in einer
Verbindung zweier Teile Die Erfindung betrifft eine mechanische Überlastsicherung
mit estigkeitsschwachstlle in einer Verbindung zweier Teile, die nn der Festig'reitsschwachstelle
nach Überschreiten einer Nennlast bricht.
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Mechanische Überlastsicherungen sollen einen Kraftfluß nach tberscheiten
eines definierten Lastwertes, einer Nennlast, entweder unterbrechen oder begrenzen.
Dies gilt sowohl für Sicherungen gegen unzulässig große Drehmomente als auch für
Sicherungen gen unzulässig hohe Kräfte. Mechanische Überlastsicherungen lassen sich
nach folgenden tösungsprinzipien realisieren: Festigkeitsschwachstellenprinzip,
Instabilitätsprinzip, Rastprinzip, Rutschprinzip und Pufferprinzip.
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Vorteile des Festigkeitsschwachstellenprinzipes gegenüber den übrigen
Lösungsprinzipien sind geringer Platzbedarf und Unabhängigkeit des Verhältnisses
von Abschaltwert zur Nennlast, d.h. des Überlastfaktors, von Reibungseinflüssen.
Der Nachteil bisher bekannter Überlastsicherungen nach dem westigkeitsschwachstellenprinzip
liegt darin, daß sie bei längerem Ein-3atz häufig auch ohne Überschreitung der Nennlast
brechen, wenn sie für die stets angestrebten kleinen Überlastfaktoren bemessen sind,
weil dabei bereits die Beanspruchungen bei Nennlast die Dauerhaltbarkeit der Festigkeitsschwachstelle
überschreiten. lies ergibt sich daraus, daß zum einen die Bruchfestigkeit der bisher
verwendeten Werkstoffe ein Mehrfaches ihrer Dauerfestigkeit beträgt und daß zum
anderen bei den bisher bekannten Überlastsicherungen die Beanspruchungen an der
Festigkeitsschwachstelle
mit den zu übertragenden Lasten verhältnisgleich anwachsen. Deshalb schließen sich
bei den bisher bekannten Überlastsicherungen nach dem Festigkeitsschwachstellenprinzip
Überlastfaktoren, die kleiner sind als das Yerhältnis Bruchfestigkeit zu Danerfestigkeit,
und gleichzeitige Dauerhaltbarkeit für Betriebslasten bis zur Höhe der Nennlast
gegenseitig aus.
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Demgegenüber sieht die Erfindung eine Überlastsicherung der anfangs
genannten Art vor, welche sowohl kleinere fJberlastfaktoren als das Verhältnis Bruchfestigkeit
zu Dauerfestigkeit als auch Dauerhaltbarkeit gewährleistet. Die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß ein in einem der beiden Teile einseitig eingespannter, die Festigkeitsschwachstelle
aufweisender Balken an einem sich am anderen der beiden Teile abstützenden elastischen
Zwischenglied angreift und nach über schreiten der Nennlast unter elastischer Verformung
des Zwischengliedes über eine zusätzliche, an einem größeren Hebelarm des Balkens
wirksame, am anderen der leiden Teile angebrachte Kraftangriffsstelle belastbar
ist0 Dadurch, daß der einseitig eingespannte Balken nach Überschreiten der Nennlast
als Folge der elastischen Verformung über die zusätzliche, an einem größeren Hebelarm
wirksame Kraftangriffsstelle belastet wird, steigt die Beanspruchung in seinem gefährdeten
Querschnitt, der Pestigkeitsschwachstelle oder auch Sollbruchstelle, in weit stärkerem
Maße an als in dem Bereich unterhalb der Nennlast, Bei geeigneter Dimensionierung
der Überlastsicherung wird die Beanspruchung an der Festigkeitsschwachstelle au9
ein Mehrfaches der Beanspruchung bei Nennlast bereits bei solchen tasten erhöht,
welche die Nennlast nur um Bruchteile ihrer selbst übersteigenf Dadurch ist erreicht,
daß die erfindungsgemäße tberlastsieherung sowohl Dauerhaltbarkeit für Lasten bis
zur Höhe der Nennlast als auch wesentlich kleinere überlastfaktoren als das Verhältnis
von Bruchfestigkeit zur Dauerfestigkeit gewahrlais-bet,
Eine bevorzugte
Ausführungsfom der Erfindung kennzeichnet ich dadurch, daß das elastische Z;wischenglied
einen stangenartig länglich ausgebildeten Bestandteil aufweist, der bei seinem freien
Xnde ein Auflager trägt, das mit dem Balken zusammenwirkt, der sich über die Festigkeitsschwachstelle
hinaus linear geradlinig erstreckt. Diese Ausführungsform läßt sich zur Übertragung
sowohl von Drehmonenten als auch von Kräften in einfacher Weise anwenden.
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Linie weitere vorteilhafte Ausführungsform, bei der die beiden Teile
um eine gemeinsame Mittelachse drehbar angeordnet sind, ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Balken hinter der Festigkeitsschwachstelle radial bezüglich der Ilittelachse
verläuft und bei der Mittelachse drehbar gelagert ist und der Abstand der Kraftangriffsstelle
von der Hittelachse geringer ist als der Abstand der Festigkeitsschwachstelle und
des elastischen Zwischengliedes von der Mittelachse. Hierbei gewährleistet der radiale
Verlauf des Balkens besondere Platzersparnis.
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Der Gedanke, daß der Balken hinter der Festigkeitsschwachstelle radial
bezüglich der Mittelachse verläuft und am freien Ende mit Spiel gegenüber der Kraftangriffsstelle
angeordnet ist, läßt sich auch realisieren, indem die Kraftangriffsstelle radial
außerhalb der Festigkeitsschwachstelle angeordnet ist.
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Hierbei ist jedoch der Anstieg der Beanspruchung der Festigkeitsschwachstelle
bei tiberschreiten der Nennlast nicht so groß wie bei Anordnung der Kraftangriffsstelle
zwischen Ttittelachse und Festigkeitsschwachstelle.
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In der Zeichnung sind betorsugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt
und zwar zeigt Fig. 1 eine mechanische Überlastsicherung mit einem stabförmigen
elastischen Zwischenglied, Fig. 2 eine mechanische Überlastsicherung zwischen zwei
auf Zug miteinander verbundenen Teilen,
Fig. 3 teilweise im Schnitt
eine Überlastsicherung mit pufferartigem elastischen Zwischenglied, Fig. 4 einen
Schnitt gemäß Linie IV-IV in Fig. 3 und Fig. 5 einen Schnitt gemäß Linie -V-V in
Fig. 3.
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Bei einer Überlastsicherung gemäß Fig. 1 wird ein Drehmoment zwischen
zwei Teilen 1, 2 übertragen, welche gleichachsig angeordnete Wellen sind, von denen
die eine in Richtung eines Pfeiles 3 angetrieben wird und die andere in der Drehung
mitnimmt. An der Stirnseite des einen Teiles 1 ist nahe dessen Außenumfang ein elastisches
Zwischenglied 4 angebracht, das als Stange ausgebildet ist, die sich bei unbelastetem
Zustand parallel zur Mittelachse der beiden wellenförmigen Teile 1, 2 erstreckt.
Das elastische Zwischenglied 4 trägt an seinem freien Ende ein Auflager 5 und mit
Abstand von diesem Auflager nahe dem ersten Teil 1 ein weiteres Auflager mit einer
Kraftangriffsstelle 6. Die beiden Auflager haben in etwa gleichen Abstand von der
Mittelachse der beiden wellenförmigen Teile 1, 2. Das zweite Teil 2 trägt an seiner
Stirnseite nahe dem Aussenumfang einen Balken 7, der nahe dem zweiten Teil eine
Festigkeitsschwachstelle 8 aufweist, sich über das Auflager 5 und die Kraftangriffsstelle
6 erstreckt und bei Betrieb der Überlastsicherung sich zunächst nur am Auflager
5 abstützt.
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Aufgrund der Kraftübertragung zwischen den beiden wellenförmigen rotierenden
Teilen 1, 2 wird sich das stabförmige elastische Zwischenglied 4, in Fig. 1 nach
unten, durchbiegen.
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Dabei kann sich auch der Balken 7 etwas durchbiegen, falls er entsprechend
elastisch ausgebildet ist. Wenn die Last, die zwischen den beiden Teilen 1, 2 zu
übertragen ist, einen gewissen Wert übersteigt, weil z.B. das zweite Teil 2 zu stark
gebremst wird, so kommt der Balken 7 mit seinem freien Ende zur Auflage auf die
Kraftangriffsstelie ;t, und löst sich von dem Auflager 5. Nunmehr wird das Drehmoment
vom ersten Teil 1 über die KraftanrI~ffsstelle - den Balken 7 und die Festigkeitsschwachstelle
S auf das andere neil 2 iRl!e ttl c<e«en so daß
die Festigkeitsschwachstelle
nicht mehr über einen kurzen, beim Auflager 5 endenden sondern über einen langen,
beim freien Ende des Balken 7 endenden Hebelarm belastet ist. Durch die geringfügige
Änderung der Belastung, welche den Balken 7 zur Anlage an die Kraftangriffsstelle
6 bringt, wird schlagartig eine starke Erhöhung der Beanspruchung der Festigkeitsschwachstelle
8 erreicht, die aufgrund entsprechender Dimensionierung bricht.
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Eine Uberlastsicherung gemäß Fig. 1 läßt sich auch zwischen zwei Teilen
anbringen, die auf Zug miteinander verbunden sind, wie dies in Fig. 2 angedeutet
ist, wo das eine Teil 1 gemäß einem Pfeil 9 nach oben und das andere Teil 2 gemäß
einem Pfeil 10 nach unten gezogen wird. Balken 7 und elastisches Zwischenglied 4
sind dabei über entsprechende Streben 11, 12 mit den beiden Teilen 1, 2 verbunden.
Die Kraftangriffsstelle 6 kann auch direkt an der einen Strebe ii angebracht sein
oder unabhängig vom elastischen Zwischenglied 4 mit dem einen Teil 1 verbunden sein.
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Die Überlastsicherung gemäß Fig. 1 läßt sich derart abwandeln, daß
statt des stangenartigen elastischen Zwischengliedes 4 eine starre Stange vorgesehen
wird und das Auflager 5 als elastischer Puffer ausgebildet wird. Der Balken 7 kommt
dann nach Kompression des elastischen Puffers an der Kraftangriffsstelle zur Anlage,
so daß ein verlängerter Hebelarm wirksam wird und bei der Pestigkeitsschwachstelle
8 ein Bruch erfolgen kann.
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Fig. 3 bis 5 zeigen die obere Hälfte zweier koaxialer Wellen 17, 14,
auf deren einander gegenüberliegenden freien Enden Kupplungshälften als miteinander
zu verbindende Teile 1, 2 drehfest aufgesteckt sind. Ein relativ kurzer, scheibenartig
flacher Balken 7, der in der Mitte eine Festigkeitsschwachstelle 8 aufweist, ist
mit einer Hälfte in einer radialen Ebene von der ti-uite her in das eine Teil 2
gesteckt und ragt
auch in eine Ausnehmung 15 im anderen Teil 2.
Die Pestigkeitsschwachstelle 8 befindet sich zwischen den beiden Teilen 1, 2 und
ist derart ausgebildet, daß Verbindung zwischen den beiden Hälften des Balkens 7
nur in einem relativ großen Abstand von der Mittelachse der beiden Wellen 13, 14
besteht.
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Neben der Festigkeitsschwachstelle 8 befindet sich in der Ausnehmung
15 des Teiles 1 in Umfangsrichtung gesehen zwischen dem Balken 7 und der Wandung
der Ausnehmung ein elastisches Zwischenglied 4, das kompressibel ist und als Puffer,
Gummistück oder Spiralfeder ausgebildet sein kann. Der Balken 7 ist in der Ausnehmung
15 nahe der Mittelachse der Wellen 13, 14 in UmSangsrichtung gesehen mit Spiel gelagert,
so daß eine Kraftangriffsstelle 6 entsteht.
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Dreht sich die eine Welle 13 unter Mitnahme der anderen Welle 14 bei
normaler Belastung, so wird das pufferartige elastische Zwischenglied 4 nur ein
wenig komprimiert und der Kraftfluß geht von einem Teil über das elastische Zwischenglied
und den Balken 7 zum anderen Teil. Wächst die Belastung der Welle 14 weiter, nachdem
das elastische Zwischenglied 4 soweit zusarnmengedrückt ist, daß der Balken 7 die
Last über die Kraftangriffsstelle 6 aufnimmt, so wirkt sich die zusätzliche Belastung
über den in radialer Richtung verlaufenden, in der Länge etwa durch den Abstand
zwischen Kraftangriffsstelle 6 und Festigkeitsschwachstelle 8 bestimmten Hebelarm
derart verstärkt aus, daß ein Bruch des Balkens erfolgt.