DE2430541B1 - Überlastsicherung zwischen zwei drehenden Maschinenteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überlastsicherung zwischen zwei drehenden Maschinenteilen, insbesondere dem treibenden und getriebenen Teil einer Welle, mit mindestens zwei sich radial an den Maschinenteilen erstreckenden, gleichmäßig auf dem Umfang verteilt angeordneten, im wesentlichen halbzylinderförmigen Ansätzen, von denen jeweils zwei zu verschiedenen Maschinenteilen gehörende Ansätze Zylinder mit zur Drehebene der Maschinenteile parallelen ebenen Trennfläche bilden, die von hohl ausgebildeten, die Maschinenteile verbindenden, kraftübertragenden Mitnehmergliedern umfaßt werden, welche bei Überlast die Verbindung durch Bruch der Mitnehmerglieder trennen.

Es sind Einrichtungen dieser Art bekannt, bei denen die Mitnehmerglieder aus elastischem Werkstoff, wie S Gummi, bestehen (FR-PS 13 30 335). Dadurch wird erreicht, daß sich Ausrichtungsfehler der Wellen nicht schädlich auswirken. Gleichzeitig wird eine gewisse Dämpfung von Stoßen erzielt. Schließlich bilden die elastischen Mitnehmerglieder Sollbruchstellen, die bei Überlast die Wellen voneinander trennen.

Kupplungen dieser Art können jedoch nur dort eingesetzt werden, wo Verdrehungen der Wellen zueinander zulässig oder unschädlich sind. Damit kommt diese bekannte Kupplung für solche Antriebsstränge mit wechselnder Belastung nicht in Betracht, bei denen der getriebene Maschinenteil eine mit dem treibenden Teil jederzeit übereinstimmende Winkelgeschwindigkeit einhalten soll. Ferner ist es nicht möglich, die Überlast, bei der die elastischen Mitnehmerglieder reißen sollen, genau festzulegen. Gerade dieses Erfordernis muß aber bei zahlreichen Antriebseinrichtungen erfüllt sein. Unberücksichtigt bleibt bei der bekannten Kupplung auch das Schicksal der im Überlastungsfall zerstörten elastischen Mitnehmerglieder. Es ist zu erwarten, daß die zerrissenen Teile der Mitnehmerglieder beim Vorbeidrehen der noch rotierenden Ansatzhälften an den zum Stillstand gekommenen Ansatzhälften zwischen die voreilenden Kanten der Ansätze geraten und die Kupplung beschädigen.

Bei einer anderen Sicherheitskupplung (OE-PS 66 754) ist es bekannt, stiftförmige Ansätze an den Maschinenteilen durch einen offenen Metallring, eine Schleife od. dgl. zu umfassen, der bzw. die unter Wirkung einer Überlast auseinandergebogen wird. Soweit

überhaupt eine bauliche Übereinstimmung mit dem vorgenannten Stand der Technik besteht, treffen die dort aufgezeigten Nachteile ebenfalls zu.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überlastsicherung der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Abschaltpunkt sich mit möglichst geringer Toleranz sicher vorherbestimmen läßt und bei der Beschädigungen der Kupplungsteile durch gebrochene Mitnehmerglieder sicher verhindert werden.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Mitnehmerglieder Hohlzylinder aus hochfestem starrem Material sind und die Ansätze unter Vorspannung umfassen sowie daß in Umfangsrichtung zwischen den Ansätzen Abstreifnocken angeordnet sind, deren radiale Ausdehnung mindestens derjenigen der Ansätze entspricht und deren parallel zur Wellenachse liegende, eben und/oder gekrümmt nach außen verlaufende Abstreifflächen jeweils am Fußpunkt des angrenzenden Ansatzes mit dessen Außenseite einen Winkel von mindestens 90° bilden.

Die aus starrem, hochfestem Material bestehenden Mitnehmerglieder bieten den besonderen Vorteil, daß sie auf einfacne Weise in vorgespanntem Zustand verwendet werden können, was wiederum eine genaue Vorherbestimmung des Abschaltpunktes gestattet, weil die Bruchgrenze der hier in Betracht kommenden Werkstoffe sehr genau bekannt ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Mitnehmerglieder besteht darin, daß sie im Fall eines Bruches innerhalb kürzester Zeit erneuert werden können.Wichtig ist auch, daß der Zustand der Mitnehmerglieder bei Wartungsarbeiten ohne weiteres überprüft werden kann. Damit ergeben sich Vorteile, die selbst bei den bekannten Brechbolzenkupplungen, bei denen

der Abschaltpunkt mit gewisser Genauigkeit vorherbestimmbar ist nicht erreicht werden und bei denen auch eine Kontrolle der Bolzen auf Ermüdungsrisse nicht ohne Ausbau der Bolzen möglich ist. Durch die Anbringung der Abstreifnocken ist sichergestellt, daß die Mitnehmerglieder im Fall eines Bruches nicht zwischen die sich aneinander vorbeidrehenden Ansätze geraten und diese beschädigen. An sich ist nicht vorhersehbar, an welcher Stelle die Mitnehmerglieder bei Überlastung brechen werden. Im allgemeinen dürfte aber der Bruch in der Nähe der einander gegenüberliegenden Trennflächen der halbzylindrischen Ansätze stattfinden. Da nur eine Bruchstelle zu erwarten ist, kann der dann halb geöffnete Ring, insbesondere bei langsam laufenden Vorrichtungen, von einer Ansatzhälfte mitgenommen werden. Die Abstreiffläche des nächsten Nockens sorgt dann dafür, daß das betreffende Mitnehmerglied angehoben wird und den nächsten Ansatz ohne Störung passiert

In zweckmäßiger weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß an den Ansätzen der Bogen jedes Halbzylinder-Querschnitts im Bereich des Überganges zur ebenen Trennfläche zu dieser hin verlaufend stetig und/oder anwachsend gekrümmt ausgebildet ist und die Ansätze mit ihren ebenen Trennflächen spielfrei aneinanderliegen.

Das spielfreie Aneinanderüegen der Ansatzhälften im Betriebszustand ist auf Grund der folgenden Überlegungen von Wichtigkeit:

Um zu einer ökonomisch vertretbaren Überlastsicherung zu gelangen, muß die Lage der Lastkomponente in Umfangsrichtung möglichst steil verlaufen. Die tangential an einer Ansatzhälfte eingeleitete Last wird über eine Komponente auf die andere Ansatzhälfte übertragen. Der Nutzgrad der Kupplung wird durch die Lage dieser Komponente der Kraftübertragung zwischen den Ansatzhälften bestimmt Wenn die Kupplung so ausgebildet ist, daß tangential eine möglichst große Steilheit erzielt wird, d.h. sich die Komponente der Lage der Tangentialkraft nähert, so wird die Leistungsfähigkeit der Überlastsicherung erhöht. Die gegenseitige Abstützung der Mitnehmer in axialer Richtung durch die spielfreie Anordnung erlaubt es nunmehr, vorgespannte Verbindungselemente zu verwenden. Nur, wenn die Mitnehmer spielfrei aneinanderliegen, stützen sich die Vorspannkräfte gegenseitig ab. Für eine Überlastsicherung der hier vorliegenden Art ergibt sich hierdurch ein optimales Verhältnis von übertragbarem Drehmoment zu Kupplungsgröße. Gleichzeitig wird durch das spielfreie Aneinanderliegen der Ansatzhälften das Auftreten von zusätzlichen Biegespannungen am Fuß der Ansätze vermieden. Dies hat wiederum zur Folge, daß die Querschnitte der Ansätze klein gehalten werden können.

Durch die Abrundung der Halbzylinder-Querschnitte der Ansätze im Bereich des Übergangs zur ebenen Trennfläche wird erreicht, daß auch bei einer geringen Verschiebung der Ansatzhälften in Umfangsrichtung zueinander im Mitnehmerglied keine Spannungskonzentration auftritt, die zu vorzeitigem Bruch des ringförmigen Mitnehmergliedes führen könnte:

Diese Spannungskonzentration läßt sich nach einem anderen Vorschlag der Erfindung auch dadurch vermeiden, daß die den Kanten der aneinanderliegenden Trennfläche gegenüberliegenden Abschnitte der Innenwände der hohlzylindrischen Mitnehmerglieder von der Kreisquerschnittsform nach außen zurückweichend gekrümmt sind. Durch diese Maßnahme kommt die Kante der Trennfläche an den Ansätzen nicht an der Innenwand des hohlzylindrischen Mitnehmergliedes zur Anlage, wenn sich die Hälften des Ansatzes in Umfangsrichtung gegeneinander um ein geringes Maß beim Betrieb verschieben.

Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ergibt sich, wenn an den Stirnflächen der halbzylinderförmigen Ansätze senkrecht zu den Kanten der Trennflächen im Betriebszustand sich gegenüberliegende Skaleneinteilungen angeordnet sind, mit deren Hilfe bei plastischer Verformung der Mitnehmerglieder die Größe der Überlast feststellbar ist. Es ist nämlich denkbar, daß die Überlast nicht ausreicht, um das Mitnehmerglied zu zerstören bzw. zu zerreißen, jedoch groß genug ist, um eine plastische Verformung des Mitnehmergliedes zu bewirken. In einem solchen Fall kann es von Bedeutung sein festzustellen, wie groß die Überlast gewesen ist, die die Verformung des Mitnehmergliedes hervorgerufen hat. Durch die Relativ-Verschiebung der Ansatzhälften zueinander, ermöglicht durch die plastische Verformung der Mitnehmerglieder, läßt sich mit Hilfe der Skaleneinteilung graphisch oder rechnerisch — bei Kenntnis der Werkstoff-Festigkeitswerte — die Größe der Überlast ermitteln.

Die Erfindung wird an Hand von Figuren näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine teilgeschnittene Seitenansicht der erfindungsgemäßen Überlastsicherung,

F i g. 2 einen Querschnitt durch F i g. 1 entlang der Trennfuge zwischen den Wellenstücken,

F i g. 3 und 4 andere Ausführungsbeispiele der Überlastsicherung,

F i g. 5 und 6 zwei Ausführungsbeispiele für die Gestaltung des Querschnitts der halbzylinderförmigen Ansätze,

F i g. 7 eine Draufsicht auf die Stirnseite der Ansätze mit Skaleneinteilung,

F i g. 8 und 9 die Ausbildung der Überlastsicherung als Beugungskupplung.

In F i g. 1 ist das das Drehmoment einleitende Wellenstück mit 1, das das Drehmoment weiterleitende Wellenstück mit 2 bezeichnet. Das Wellenstück 1 ist mit einer von der Stirnseite aus offenen Bohrung versehen, in die das entsprechend im Durchmesser verjüngte Ende des Wellenstückes 2 eingreift und in der es mit Hilfe von Wälzlagern 4 gelagert ist.

Beide Wellenstücke 1 und 2 sind an ihren an der Trennfuge 13 aneinanderliegenden Stirnflächen flanschförmig erweitert. Die Flansche — 5 am Wellenstück 1 und 6 am Wellenstück 2 — sind so bearbeitet, daß jeder Flansch drei gleichmäßig über den Umfang verteilte halbzylindrische Ansätze 7a, Tb aufweist. Die halbzylindrischen Ansätze 7a, Tb liegen mit ihren Trennflächen spielfrei entlang der Trennfuge 13 aneinander und ergänzen sich somit zu Zylindern, deren Achsen radial zu den Wellenstücken verlaufen (F i g. 2).

Die aus jeweils zwei Hälften Ta, Tb gebildeten zylindrischen Ansätze sind von je einem hohlzylindrischen Mitnehmerglied 8, z. B. aus gehärtetem Stahl, umschlossen. Die Mitnehmerglieder 8 stellen die Verbindung zwischen den Wellenstücken 1 und 2 her und werden mit Vorspannung aufgebracht. Die Mitnehmerglieder 8 sind so bemessen, daß sie bei Auftreten eines vorgegebenen Drehmoments, dem Abschaltpunkt zerreißen.

Gemäß F i g. 2 sind zwischen den Ansätzen 7a, Tb die dort verbliebenen Teile der Flansche als Abstreifnokken 10 gestaltet deren Abstreifflächen 12 sich an den Außenflächen befinden. Die größte radiale Ausdehnung

der Abstreifnocken 10 entspricht mindestens derjenigen der Ansätze Ta, Tb. Die Abstreifflächen 12 beginnen jeweils am Fuß eines Ansatzes Ta, Tb, wobei sie mit der Außenseite des Ansatzes einen Winkel α einschließen, der in F i g. 2 90° beträgt. Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Abstreifflächen eben zum radial am weitesten außenliegenden Teil des Abstreifnockens.

F i g. 3 zeigt eine andere Ausbildungsform der Abstreifnocken 10. Die Abstreiffläche 12 verläuft hierbei vom Fuß des Ansatzes Ta, Tb aus, gekrümmt zum radial am weitesten außenliegenden Teil der Abstreiffläche

Eine dritte Ausbildungsmöglichkeit ist in Fig.4 dargestellt; hier verlaufen die Abstreifflächen 12 unter einem Winkel oc' von mehr als 90° zur Außenseite der zylindrischen Ansätze Ta, Tb. In allen Fällen ist jedoch der radiale Abstand des am weitesten von der Wellenachse beabstandeten Punktes der Abstreifnocken 10 und der Stirnseite 14 der Ansätze Ta, Tb gleich groß.

In F i g. 5 ist ein Querschnitt durch einen der Ansätze Ta, Tb und das diesen umfassende Mitnehmerglied 8 dargestellt. Im Bereich des Übergangs zu der ebenen Trennfläche 13 ist der Bogen 15 des Halbzylinder-Querschnitts Ta, Tb so korrigiert, daß sich eine kurvenförmige Abrundung 16, 17 der Kanten ergibt. Die Abrundung dient dazu, Scherwirkungen der Kanten am Mitnehmerglied zu verhindern, wenn sich die Ansätze Ta, Tb unter der Betriebslast gering zueinander entlang der Trennfläche 13 verschieben.

F i g. 6 stellt eine andere Lösungsmöglichkeit für eine Überlastsicherung dar. Hierbei ist das zylindrische Mitnehmerglied 8 im Bereich der Kanten der Trennfuge 13 dünnwandiger bei 18 ausgebildet, so daß die Innenwand 19 des Hohlzylinders in diesem Bereich nicht an der Mantelfläche von Ta und Tb anliegt. Bei einer solchen Ausgestaltung muß jedoch sichergestellt sein, daß sich das Mitnehmerglied 8 nicht auf den Ansätzen Ta, Tb verdreht.

F i g. 7 ist eine Draufsicht auf die Stirnflächen 14 der Ansätze Ta, Tb. Die parallel zur Trennfuge 13 verlaufenden Kanten sind mit Skalenstrichen 14 versehen, an denen das Maß der Relativ-Bewegung der Ansatzhälften Ta, Tb gegeneinander abgelesen werden kann.

Bei dem in den F i g. 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine doppelt kardanische Wellenverbindung bzw. Zahnkupplung. Die Zahnkupplung besteht aus der ankommenden Welle la und einem darauf befestigten Zahnrad 22 sowie aus der getriebenen Welle 2a, auf der ein dem Zahnrad 22 entsprechendes Zahnrad 23 sitzt. Die die Kupplungsverbindung ergebende innengezahnte Hülse besteht aus zwei Hälften 20,21, die entlang ihrer Trennfuge 13a mit sich zu zylinderförmigen Ansätzen ergänzenden hälftigen Ansätzen Ta, Tb versehen sind. Die Verbindung der Hülsenhälften 20, 21 erfolgt wiederum mit Hilfe von hohlzylindrischen Mitnehmergliedern 8.

Wirkungsweise

Im betriebsbereiten Zustand bilden die Ansatzhälften Ta, Tb beider Wellenstücke 1, 2 bzw. 20, 21 mit allen Abstreifflächen 11,12 einen Winkel von 90° oder mehr. Sobald die Überlastsicherung überlastet wird und die Mitnehmerglieder 8 zerreißen, führen die Ansatzhälften Ta gegenüber den Hälften Tb eine Relativ-Bewegung aus. Dabei bilden die Kanten der Abstreifflächen 12 des einen Wellenteiles 1 (bzw. Hülsenteil 20) mit den Kanten der Trennflächen der Ansatzhälften Tb des anderen Wellenteils 2 (bzw. Hülsenhälfte 21) einen spitzen Winkel. Dieser Winkel wird mit zunehmender Verdrehung kleiner und würde einen Scherwinkel bilden, wenn die Abstreifflächen 12 nicht vorgesehen wären. Diese letzteren verhindern das Entstehen eines Scherwinkels und bewirken gleichzeitig eine radiale Kraft, welche das zerrissene Mitnehmerglied nach außen drückt. Dadurch, daß die Abstreifnocken 10 mindestens der radialen Ausdehnung der Ansätze Ta, Tb entsprechen, ist sichergestellt, daß die zerrissenen Mitnehmerglieder 8 über die Ansatzhälfte Ta bzw. Tb des zurückbleibenden Teils der Überlastsicherung hinweggehoben und abgestreift werden.

Die hohlzylindrischen Mitnehmerglieder 8 sind vorzugsweise poliert und weisen genau festgelegte Festigkeitseigenschaften auf. Die Wellenteile sind im Bereich der Ansätze mit einer Schutzvorrichtung umgeben, die das Abschleudern von zerrissenen Mitnehmergliedern verhindert. Wenn eine Abschaltung infolge von Überlastung eingetreten ist, werden neue Mitnehmerglieder 8 angebracht und die Überlastsicherung ist in kürzester Zeit wieder einsatzbereit

Die Skaleneinteilung nach Fig.7 ermöglicht eine Messung der Überlast, wenn diese nicht ausgereicht hat, um die Mitnehmerglieder 8 zu zerreißen. In diesem Fall kann eine plastische Verformung der Mitnehmerglieder 8 eintreten, die eine geringfügige Relativ-Verschiebung der Ansatzhälften Ta, Tb zueinander hervorruft. Über die Größe der Relativ-Bewegung, die sich mit Hilfe der Skala 19 ablesen läßt, kann man in Abhängigkeit von den Werkstoffwerten des Mitnehmergliedes 8 die Größe der Überlast ermitteln.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Überlastsicherung zwischen zwei drehenden Maschinenteilen, insbesondere dem treibenden und getriebenen Teil einer Welle, mit mindestens zwei sich radial an den Maschinenteilen erstreckenden, gleichmäßig auf dem Umfang verteilt angeordneten, im wesentlichen halbzylinderförmigen Ansätzen, von denen jeweils zwei zu verschiedenen Maschinenteilen gehörende Ansätze Zylinder mit zur Drehrichtung der Maschinenteile parallelen ebenen Trennflächen bilden, die von hohl ausgebildeten, die Maschinenteile verbindenden, kraftübertragenden Mitnehmergliedern umfaßt werden, welche bei Überlast die Verbindung durch Bruch der Mitnehmerglieder trennen, dadurch gekennzeichnet, daß die Mitnehmerglieder (8) Hohlzylinder aus hochfestem starrem Material sind und die Ansätze (7a, 7b) unter Vorspannung umfassen sowie daß in Umfangsrichtung zwischen den Ansätzen Abstreifnocken (10) angeordnet sind, deren radiale Ausdehnung mindestens derjenigen der Ansätze entspricht und deren parallel zur Wellenachse (1, 2) liegenden eben und/oder gekrümmt nach außen verlaufenden Abstreifflächen (11, 12) jeweils am Fußpunkt des angrenzenden Ansatzes mit dessen Außenseite einen Winkel (α, <x') von mindestens 90° bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ansätzen (7a, 7b) der Bogen jedes Halbzylinder-Querschnitts im Bereich des Übergangs zur ebenen Trennfläche (13) zu dieser hin verlaufend stetig und/oder zunehmend gekrümmt ausgebildet ist (bei 16, 17) und die Ansätze mit ihren ebenen Trennflächen spielfrei aneinander liegen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Kanten der aneinanderliegenden Trennflächen (13)' gegenüberliegenden Abschnitte (18) der Innenwände (19) der hohlzylindrischen Mitnehmerglieder (8) von der Kreisquerschnittsform nach außen zurückweichend gekrümmt sind.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Stirnflächen (14) der halbzylinderförmigen Ansätze (7a, 7b) an den Kanten der Trennflächen (13) im Betriebszustand sich gegenüberliegende Skaleneinteilungen (19) angeordnet sind, mit deren Hilfe bei plastischer Verformung der Mitnehmerglieder (8) die Größe der Überlast feststellbar ist.