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Mechanische Überlastsicherung mit Festigkeitsschwachstelle in einer
Verbindung zweier Teile Die Erfindung betrifft eine mechanische tberlastsicherung
mit Festigkeitsschwachstelle in einer Verbindung zweier Teile, die an der Festigkeitsschwachstelle
nach Überschreiten einer Nennlast bricht nach Patentanmeldung P 20 41 723.6, Mechanische
Uberlastsicherungen sollen einen Kraftfluß nach Überschreiten eines definierten
Lastwertes, einer Nennlast, entweder unterbrechen oder begrenzen. Dies gilt sowohl
fur dicherungen gegen unzulässig hohe Drehmomente als auch für Sicherungen gegen
unzulässig hohe Kräfte. Mechanische Überlastsicherungen lassen sich nach folgenden
Lösungsprinzipien realiw sieren: Festigkeitsschwachstellenprinzip, Instabilitätsprinzip,
Rastprinzip, Rutschprinzip und Pufferprinzigo Vorteile des Festigkeitsschwachstellenprinzipes
gegenüber den übrigen Lösungeprinzipien sind geringer Platzbedarf und Unabhängigkeit
des Verhältnisses von Abschaltwert zur Nennlast, d.
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h, des Überlastfaktors, von Reibungseinflüssen. Der Nachteil bisher
bekannter Überlastsicherungen nach dem Bestigkeitsschwachstellenprinzip liegt darin,
daß sie bei längerem Einsatz häufig auch ohne Überschreitung der Nennlast brechen,
wann sie für die stets angestrebten kleinen Überlastfaktoren bemessen sind, weil
dabei bereits die Beanspruchungen bei Nennlast die Dauerhaltbarkeit der Festigkeitsschwachstelle
überschreiten. Dies ergibt sich daraus, daß zum einen die statische Bruchfestigkeit
der verwendbaren 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
Uberlastsicherungen
nach dem Festigkeitsschwachstellenprinzip Überlastfaktoren, die kleiner sind als
das Verhältnis statische Bruchfestigkeit zu Dauerfestigkeit, und gleichzeitige Dauerhaltbarkeit
für Betriebelasten 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 Uberlastfaktoren als das Verhältnis statische
Bruchfestigkeit zu Dauerfestigkeit als auch Dauerhaltbarkeit gewährleistet. Die
Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein an einem der beiden Teile gelagertes,
die Festigkeitsschwachstelle aufweisendes Brechteil an mindestens einem sich am
anderen Teil abstützenden elastischen Zwischenglied angreift und unter elastischer
Verformung des Zwischengliedes nach Überschreiten der Nennlast über eine Laetangriffsstelle
von dem anderen Teil derart belastbar ist, daß die Beanspruchung der Festigkeitsschwachstelle
in weit stärkerem Maße ansteigt als in dem Beach unterhalb der Nennlast.
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Dadurch, daß das Brechteil nach Überschreiten der Nennlast als Folge
der elastischen Verformung über eine zusätzliche, vorzugsweise an einem größeren
Hebelarm wirksame Kraftangriffsstellt belastet wird, steigt die Beanspruchung in
seinem gefährdenen Querschnitt, der Festigkeitsschwachstelle oder auch Sollbruchstelle,
in weit stärkerem Maße an als in dem Bereich unterhalb der Nennlast. Bei geeigneter
Divensionierung der Uberlastsicherung wird die Beanspruchung an der Festigkeitsschwachstelle
auf ein Mehrfaches der Beanspruchung bei Nennlast bereits bei solchen Lasten erhöht,
welche die Nennlast nur um Bruchteile ihrer selbst übersteigen. Dadurch ist erreicht,
daß die erfindungsgemäße Überlastsicherung sowohl Dauerhaltbarkeit für Lasten bis
zur Höhe der Nennlast als auch wesentlich kleinere Überlastfaktoren als das Verhältnis
von Bruchfestigkeit zur Dauerfestigkeit gewährleistet.
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Eine erfindungsgemäße Überlastsicherung läßt sich derart ausbilden,
daß die nach Überschreiten der Nennlast wirksame Lastangriffsstelle in einem größeren
als zu Beginn einer Belastung wirksamen Abstand von derjenigen Lagerstelle des Brechteiles
angeordnet ist, welche zu Beginn der Belastung den kleinsten Abstand von einer bei
Beginn der Belastung wirksamen Lastangriffestelle des Brechteiles hat. Wenn das
Brechteil einseitig gelagert ist, so ist der Abstand zwischen der nach Überschreiten
der Nennt last wirksamen Lastangriffsstelle und der Festigkeitsschwachstel le größer
als der Abstand zwischen der zu Beginn der Belastung wirksamen Lastangriffsstelle
und der Festigkeitsschwachstelleo Ist das Brechteil jedoch auf beiden Seiten der
Festigkeitsschwachstelle gelagert, so ist der Abstand zwischen der nach tberschreiten
der Nennlast wirksamen Lastangriffsstelle und der Festigkeitsschwachstelle kleiner
als der Abstand zwischen der zu Beginn der Belastung wirksamen Lastangriffsstelle
und der Bestigkeitsschwachstelle.
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Eine in vielfältigen Abwandlungen und einfach herstellbare Ausführungsform
der Erfindung besteht darin, daß das die Festigkeitsschwachstelle aufweisende Brechteil
als Balken ausgebildet und einseitig eingespannt ist und die Belastung des Balkens
unter Verformung des elastischen Zwischengliedes nach Überschreiten der Nennlast
über eine zusätzliche, an einem größeren Hebelarm des Balkens wirkende, am anderen
der beiden Teile angebrachte Kraftangriffsstelle erfolgt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung kennzeichnet sich dadurch,
daß das elastische Zwischenglied stangenartig länglich geformt sowie in einem der
beiden zu verbindenden Teile eingespannt ist und an seinem freien Ende ein Auflager
trägt, das mit dem als Balken ausgebildeten Brechteil zusammenwirkt, der im anderen
der beiden Teile einseitig eingespannt ist und sich über die Festigkeitsschwachstelle
hinaus linear geradlinig erstreckt.
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Diese Ausführungsform läßt sich zur Übertragung sowohl von Drehmomenten
als auch von Kräften in einfacher Weise anwenden.
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Eine 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 Mittelachse
verläuft, der Balken an seinem freien Ende mit Spiel gegenüber der zusätzlichen
Kraftangriffsstelle angeordnet ist und der Abstand der zusätzlichen Kraftangriffsstelle
von der Mittelachse 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. Hierbei ist jedoch der Anstieg
der Beanspruchung der Festigkeitsschwachstelle bei Überschreiten der Nennlast nicht
so groß wie bei Anordnung der Kraftangriffsstelle zwischen Mittelachse und Festigkeitsschwachstelle.
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In der Zeichnung sind bevorzugte 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 Uberlasteicherung
mit pufferartigem elastischen Zwischenglied, Fig. 4 einen Schnitt gemäß Linie IV-IV
in Fig. 3, Fig. 5 einen Schnitt gemäß Linie V-V in Fig. 3, Fig. 6 eine Überlastsicherung
mit einem beidseitig gelagerten, balkenartigen Brechteil, Fig. 7 eine weitere Überlastsicherung
mit beidseitig gelagertem, balkenartigen Brechteil,
Fig. 8 eine
Überlasteicherung mit einem scheibenartigen, an mehreren Stellen gelagerten Brechteil,
in einem Schnitt gemäß Linie VIII-VIII in Figo 9, Fig. 9 eine Draufsicht auf die
Überlastsicherung gemäß Fig. 8, Fig. 10 eine Überlastsicherung, bei der sich Brechteil
und elastisches Zwischenglied aneinander abwälzen und Fig. 11 eine weitere Überlastsicherung,
bei der sich Brechteil und elastisches Zwischenglied aneinander abwälzen.
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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 ein als Balken ausgebildetes Brechteil 7, das 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 elastiche 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 «.B. das zweite
Teil 2 zu stark gebremst wird, 80 kommt der Balken 7 mit seinem freien Ende zur
Auflage auf die Kraftangriffestelle 6 und löst sich von dem Auflager 5. Nunmehr
wird das Drehmoment vom ersten Teil 1 über die Kraftangriffastelle 6, den Balken
7 und die Festigkeitsschwachstelle 8 auf das andere Teil 2 übertragen, so daß die
Festigkeitsschwachstelle nicht mehr über einen kurzen, beim Auflager 5 endenden
sondern über einen langen, beim freien Ende des Balkens 7 endenden Hebelarm belastet
ist0 Durch die geringfügige Änderung der Belastung, welche den Balken 7 zur Anlage
an die graftangriffastelle 6 bringt, wird eine starke Erhöhung der Beanspruchung
der Festigkeitsschwachstelle 8 erreicht, die aufgrund entsprechender Dimonsionierung
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 Pig. 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. Das als Balken ausgebildete Brechglied 7
und das elastische Zwischenglied 4 sind dabei über entsprechende Streben 11, 12
mit den Teilen 1, 2 verbunden. Die Kraftangriffsstelle 6 kann auch direkt an der
einen Strebe 11 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 abwandern, daß
statt des stangenartigen elastischen Zwischengliedes 4 eine starre Stange vorgesehen
wird und das Auflager 5 als elastischer Puffer ausgebildet wird. Das als Balken
ausgebildete Brechglied 7 kommt dann nach Kompression des elastischen Puffers an
der Kraftangriffsstelle 6 zur Anlage, so daß ein verlängerter Hebelarm wirksam wird
und bei der Festigkeitsschwachstelle 8 ein Bruch erfolgen kann.
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Fig. 3 bis 5 zeigen die obere Hälfte zweier koaxialer Wellen
13,14,
auf deren einander gegenüberliegenden freien Enden Kupplungshälften als miteinander
zu verbindende Teile 1,2 drehfest aufgesteckt sind. Ein relativ kurzes, scheibenartig
flaches Brechteil 7, das in der Mitte eine Pestigkeitsschwachstelle 8 aufweist,
5 8t mit einer Hälfte in einer radialen Ebene von der Stirnseite her in das eine
Teil 2 gesteckt und ragt auch in eine Ausnehmung 15 im anderen Teil 1. Die Festigkeitsschwachstelle
8 befindet sich zwischen den beiden Teilen 1,2 und ist derart ausgebildet, daß Verbindung
zwischen den beiden Hälften des Brechteiles 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 Brechteil 7 und der Wandung
der Ausnehmung ein elastisches Zwischenglied 4, das als Gummi- oder Metallfeder
ausgebildet sein kann. Das Brechteil 7 ist in der Ausnehmung 15 nahe der Mittelachse
der Wellen 13, 14 in Umangerichtung gesehen mit Spiel angeordnet, so daß eine Krafta@@
@@@-le 6 entsteht.
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Dreht sich die eine Welle 13 unter Mitnahme der anderen Welle 14 bei
normaler Belastung, so wird das elastische Zwischenglied 4 nur ein wenig komprimiert
und der Kraftfluß geht von einem Teil über das elastische Zwischenglied und das
Bruch teil 7 zum anderen Teil. Wächst die Belastung der Welle 14 weiter, nachdem
das elastische Zwiechenglied 4 soweit zuesmmengedrUckt ist, daß das Brechteil 7
die Last über die graftangriffastelle 6 aufnint, so wirkt sich die zusätzliche Belastung
über den in radialer Richtung verlaufenden, in der Länge etwa durch den Abstand
zwischenKraftangriffsstelle 6 und Festigkeitsschwachstelle 8 bestimmten Hebelarm
derart verstärkt aus, daß ein Bruch des Brechteiles erfolgt.
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Bei den drei Ausführungsformen gemäß Fig. 6 bis 9 ist jeweils ein
Brechteil 7 vorgesehen, das an zwei oder mehr Endstellen
gelagert
ist0 Während das Brechteil 7 der Ausführungsformen gemäß Fig. 6 und 7 als Balken,
der an beiden Enden gelagert ist, ausgebildet ist, ist das Brechteil der Ausführungsform
gemäß Fig. 8 und 9 eine Platte, durch welche mehrere längliche Festigkeitsschwachstellen
8 in radialer Richtung verlaufen.
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Als elastische Zwischenglieder 4 sind Gummipuffer, Spiralfedern, oder
ähnliches vorgesehen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 ist die Sestigkeitsschwachstelle
8 mittig zwischen den Lagerstellen des Brechteiles 7 angeordnet und befindet sich
das elastische Zwischenglied nahe der einen dieser Lagerstellen. Wenn das elastische
Zwischenglied 4 nach Überschreiten der Nennlast komprimiert ist, so wird das Brechglied
7 bei der Festigkeitsschwachstelle 8 von einer an dem einen Teil 1 angebrachten
Lastangriffsstelle 6 belastet. Diese Belastung kann unmittelbar an der Festigkeitsschwachstelle
oder in deren Nähe erfolgen.
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Gemäß Fig. 7 ist das elastische Zwischenglied 4 mittig zwischen den
beiden Lagerstellen des Brechteiles 7 angeordnet und befinden sich die Festigkeitsschwachstelle
8 und die bei Überschreiten der Nennlast wirksame Lastangriffsstelle 6 nahe der
einen der beiden Lagerstellen. Die Wirksamkeit der Vorrichtung gemäß Fig. 7 kann
verbessert werden, indem das elastische Zwischenglied 4 weiter nach links verschoben
wird. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 bis 9 ist der Abstand der nach Überschreiten
der Nennlast wirksamen Lastangriffsstelle 6 von der Festigkeitsschwachstelle 8 geringer
als der Abstand der bei Beginn der Belastung wirksamen, durch das elastische Zwischenglied
4 bestimmten Lastangriffsstelle von der Festigkeitsschwachstelle.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 und 9 weist das eine Teil 1 strahlenförmig
nach außen ragende Speichen auf 0 Bei dem freien Ende Jeder Speche ist ein pufferartiges
elastisches Zwischenglied 4 vorgesehen und die nach Überschreiten der Nennlast wirksame,
spitze Lastangriffsstelle 6 befindet sich im Zentrum
des strahlenförmigen
Gebildes. Bei der Ausfth-rungsform gemäß Figo 8 und 9 ist also eine Vielzahl von'auf
einem Kreis angeordneten Lagerstellen vorgesehen.
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Die beiden Ausführungsformen gemäß Pig, 10 und 11 zeichnen sich dadurch
aus, daß das elastische Zwischenglied 4 balkenartig und bei seiner Lagerstelle an
dem einen Teil biegeweich ausgebildet ist und an. dem Brechteil mit einer gekrümmten
Fläche anliegt, die sich bei wachsender Belastung an dem Brechteil abwälzt. Das
balkenartige Zwischenglied 4 ist einseitig in den Teil 1 eingespannt und besitzt
bei diesem Teil einen Abschnitt 17, der biegeweich ist.
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In Fig. 10 ist das Brechteil 7 ebenfalls einseitig eingespannt und
wird von dem elastischen Zwischenglied 4 zunächst nahe der Festigkeitsschwachstelle
8 belastet. Mit Wachsender Belastung wandert die Berührungsstelle zwischen der Fläche
16 und dem Brechteil 7 zu dem freien Ende des balkenartigen Brechteiles.
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In Fig. 11 ist dagegen das Brechteil 7 beidseitig gelagert und wandert
die Berührungsstelle zwischen der gekrümmten Fläche 16 und dem Brechteil 7 mit wachsender
Belastung von der einen Lagerstelle zu der Festigkeitsschwachstelle 8.