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überlastkupplung zur Begrenzung eines übertragenen Drehmomentes Die
Erfindung betrifft eine Überlastkupplung zur Begrenzung eines übertragenen Drehmomentes
mit zwei Kupslungsplatten, die gegenüberliegend angeordnete, zusammenwirkende, wellenförmig
verlaufende Flächen aufweisen und jeweils auf einer entsprechenden Welle gelagert
sind, und mit einer auf eine der Runplungselatten wirkende Druckfeder, weiche die
Flächen gegeneinanderdrückt.
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In der US-PS 2 576 069 ist eine Überlastkupplung zur Begrenzung eines
übertragenen Drehmomentes beschrieben, bei welcher zwei Kupplungsplatten unmittelbar
mit der entsprechenden
Ausgangs- bzw. Eingangswelle verbunden sind,
so daß von dem Arbeiter unterschiedlich aufgebrachte A«ialdrücke unterschiedliche
Ausgangsdrehmomente hervorrufen. Wenn hohe Drehmomente erreicht werden, dann heben
sich die gewellten Flächen der Kupplungsplatten oszillierend voneinander ab, wodurch
in Axialrichtung Stöße hervorgerufen werden.
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Die Erfindung ist darauf gerichtet,diesen Nachteil zu vermeiden und
schlägt eine Uberlastkupplung der vorgenannten Art vor, die dadurch gekennzeichnet
ist; daß die von der Druckfeder belastete Kupplungsplatte gegenüber der Welle, auf
welcher sie gelagert ist, axial verschiebbar ist.
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Durch die erfindungsgemäße Kupplung wird in vorteilhafter Weise erreicht,
daß bis zum Zeitpunkt des Gleitens eine gleichmäßige Drehmomentenübertragung zwischen
den Kupplungsplatten erfolgt und daß das Ausgangsdrehmoment von größeren Drücken
unbeeinflußt bleibt.
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Gemäß einem weiteren vorteilhaften Merkmal ist vorgesehen, daß die
sich gegenüberliegenden Flächen der Kupplungsplatten jeweils 3 oder 6 im wesentlichen
sinuswellenartige Nockenprofile aufweisen. Durch diese Maßnahme wird die Lebensdauer
der Kupplung vergrößert.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Einzalheiten der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung.
Darin zeigen:
Fig.1 eine Teilechnittansicht eines. tragbaren, motorangetriebenen
Drehwerkzeuges mit einer einstellbaren federbelasteten überlastkupplung zur Begrenzung
des übertragenen Drehmomentes; Fig.2 eine Teilansicht des Konturenverlaufs der Eingriffsflächen
zusammenwirkender Kupplungsplatten; Fig.3 eine perspektivische Ansicht einer Kupplungsplatte;
Fig.4 ein Diagramm, in welchem der Ubergangswinkel der Kontur einer Kupplungsplatte
an einem äußeren, mittleren und inneren Durchmesser der Kupplungsplatte gezeigt
ist; Fig. SA, 5B und 5C die relative Lage der zusammenwirkenden Kupplungplatten,
wobei sich die Platten für einen Antrieb in einer vollen Eingriffsstellung befinden,
teilweise außer Eingriff sind und nach einem vollständigen Ausrücken in die Eingriffsstellung
zurückkehren; und Fig.6 den Konturenverlauf von zusammenwirkenden Kupplungsplatten,
die mit im Abstand zueinander oder unterbrochenen Vorsprüngenausgestattet sind.
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Wie in der Fig.1 zu erkennen ist, weist das motorangetriebene, drehbare
Werkzeug ein Gehäuse 10 auf, in welchem eine Kupplungswelle 12 drehbar gelagert
ist. Eine schlupffrei arbeitende Antriebskupplung 14 verbindet die
Kupplungswelle
12 mit-einer Antriebsspindel. Diese schlupffrei arbeitende Antriebskupplung 14 ermöglicht
ein Anhalten der Kupplungswelle 12, so daß das-Werkzeug oder die Antriebsteile in
den Werkzeugen ausgewechselt werden können. Eine solche schlupffrei arbeitende Antriebskupplung
ist eingerückt, wenn während des normalen Betriebes des Drehwerkzeuges in die Kupplungswelle
über ein sich mit dem werkstück im Eingriff befindliches Werkzeug ein Axialdruck
oder eino Vorschubkraft eingeleitet wird. Wenn der Axialdruck aufgehort hat, dann
ist diese Kupplung ausgerückt.
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Die überlastRunDlung zur Begrenzung des übertragenen Drehmomentes
ist in einem Kupclungsgehäuse 16 angeordnet, das mit einemAbsatz des Gehäuses 10
verschraubt ist.
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Dieses Ku»nlur.gsgehäuse eist einen Teil auf, in welchem ein Axiallager
18, eine Antriebskupplungsplatte 20, eine angetriebene Kupplungsplatte 22, eine
Druckfeder 24 und ein weiteres Axiallager 26 angeordnet sind. Neben jedem Axiallager
18 bzw. 26 ist eine an sich bekannte Druck scheibe 28 angeordnet. Die Antriebskupplungsplatte
20 ist mit einem abgesetzten Ende der Kupplungswelle 12 derart verkeilt, daß sie
sich gegenüber der Welle 12 in Axialrichtung verschieben läßt. Die angetriebene
Kupplungsplatte 22 ist mit einem Ende einer Spannfutterwelle 30 derart verkeilt,
daß eine Axialbewegung zwischen der Kupplungsplatte 22 und der Spannfutterwelle
30 ermöglicht wird. Ein auf der Spannfutterwelle 30 angeordneter Sprengring verhindert,
daß die angetriebene Kupplungsolatte 22 und die Spannfutterwelle 30 in Axialrichtung
außer Eingriff kommen. Die Spannfutterwelle 30 ist in einer Bohrung des Gehäuses
16 drehbar gelagert. Wenn die Kupplungswelle
die Antriebskupplungsplatte
20 dreht, dann kann das Drehmoment auf die angetriebene Kupplungsplatte22 übertragen
werden und damit auf die Spannfutterwelle 30 und auf irgendein Werkzeug, das in
der Spannfutterwelle 30 aufgenommen ist. Die Druckfeder 2tist derart angeordnet,
daß sie die sich gegenüberliegenden Flächen der angetriebenen Kupplungsplatte22
und der Antriebskupplungsplatte 20 in einen dauernden Eingriff zusammendrückt.
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Für die Einstellung der auf die angetriebene Kupplungsplatte 22 wirkenden
Federkraft der Feder 24 ist ein Einstellring 32 mit einer Einstellbüchse 34 fest
verbunden.
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Diese Einstellbüchse 34 ist auf das Kupplungsgehäuse 16 aufgeschraubt,
und wenn sie gedreht wird, dann bewegt sie sich in Axialrichtung und verändert dabei
den Druck der Druckfeder 24. Zur Arretierunoder Einstellbüchse kann ein Lagerring
vorgesehen sein, der verhindert, daß die Einstellbüchse sich ungewollt dreht.
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Im nachfolgenden sollen einige Ausdrücke definiert werden, die in
Verbindung mit der Beschreibung der Fig.2 bis 6 verwendet werden: Vorspringender
Nocken: Der vorspringende Nocken ist derjenige Teil einer Kupplungsplatte, der von
einem ansteigenden und abfallenden Flächenstück der Kupplungsplatte begrenzt wird,
wobei der Anstieg und der Abf all durch zwei identische Radien (wie dies in der
Zeichnung zu erkennen ist) definiert ist oder durch parabolische oder hyperbolische
Kurvenzüge oder durch eine Sinuskurve oder irgendeine andere geeignete fortlaufende
Funktion
und wobei sich ein vollständiger Nocken von dem tiefsten- Punkt der Kurve bis zu
dem nächsten tiefsten Punkt erstreckt.
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Nockenradius (R): Dieser Nockenradius R beschreibt den Verlauf der
Nockenfläche.
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Nockenhöhe (D) Die Nockenhöhe D entspricht dem Abstand zwischen dem
höchsten Punkt eines Nockens und seinem tiefsten Punkt.
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Teilungslinie (P): Die Teilungslinie P befindet sich genau in der
Mitte zwischen dem höchsten und dem tiefsten Punkt eines Nockens. An derjenigen
Stelle, an welcher die Konturlinie eines Nockens diese Teilungslinie schneidet,
ändert sich die Krümmung der Konturlinie.
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Ubergangspunkt (T): Dieser r3be-gangspunkt T liegt sowohl auf der
Teilungslinie P als auch auf der Nockenkontur und entspricht demjenigen Punkt, an
welchem die Nockenkontur ihre Krümmung ändert (der Übergangspunkt ist auch als Wendepunkt
des Nockens bekannt).
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tibergangsinkel (TA): Der übergangswinkel TA ist derjenie Winkel zwischen
der Teilungslinie P und einer in dem Übergangspunkt T an die Nockenfläche gelegten
Tangente.
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Die sich gegenuberliegenden Flächen der Antriebskupplungsplatte 20
und der angetriebenen Xupplungsplatte 22 können
von identischen
Sinuskurvenflächen gebildet sein (siehe Fig.3). Eine in irgendeinem Punkt auf die
Fläche eines Nockens gelegte gerade Linie erstreckt sich radial zur Rotationsachse.
Dies trifft zu, Wenn sich die Kupplungsplatten in ihrer Antriebsstellung gemäß Fig.5A
befinden oder in ihrer Gleitstellung gemäß Fig.5B. Jede solche Berührungslinie überträgt
über ihre ganze Länge entlang der Nockenfläche die von der Druckfeder 24 aufgebrachte
Kraft ebenso wie die zwischen den Kupplungsplatten auftretende Stoßkraft.
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Wie aus der Fig.3 zu entnehmen ist, ist die Nockenplatte gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel mit sechs vorspringenden Nocken ausgestattet, von
denen jeder ein Sechstel der Last aufnimmt. Hierdurch wird eine lange Lebensdauer
erreicht, weil der Verschleiß im Vergleich zu Kupplungen mit einem einzigen vorspringenden
Nocken wesentlich herabgesetzt wird. Damit eine dauernde Linienberührung aufrechterhalten
wird, ist die Nockenhöhe D vom Außendurchmesser der Kupplungsfläche zum Innendurchmesser
unverändert. Da die Nockenhöhe D konstant ist, nimmt der Nockenradius in Richtung
vom Außendurchmesser zum Innendurchmesser der Kupplungsplatte gesehen natürlich
gleichmäßig ab und der übergangswinkel TA entsprechend gleichmaßig zu (siehe Fig.3
und 4). Der tjbergangswinkel TA am mittleren Durchmesser (in gleichem Abstand vom
Außendurchmesser und tom Innendurchmesser) bestimmt die Eigenschaften der Uberlastkupplung;
je größer dieser Übergangswinkel ist, um so größer ist das von der Kupplung übertragene
Drehmoment. Ein bevorzugter Übergangswinkel beträgt 58°, jedoch kann auch jeder
Ubergangswinkel zwischen 0o und 900 gewählt werden.
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Wenn sich die Kupplungswelle 12 während des normalen Betriebes dreht,
dann wird das Drehmoment der Kupplungswelle 12 auf die Spannfutterwelle 30 übertragen,
wobei sich die Nockenflächen der Kupplungsplatten 20 und 22 in einem vollständigen
Eingriff miteinanderbefinden, wie dies in der Fig.5A dargestellt ist. Wenn eine
Überlastung des Werkzeuges auftritt, dann gleiten die Nocken flächen aus der vollständigen
Eingriffsstellung in eine Teileingriffsstellung, wie dies in der Fig.5B dargestellt
ist. Wenn dies geschieht, dann nimmt der mittlere Berührungswinkel, d.h. der mittlere-Winkel
zwischen der Teilungslinie P und der Tangente an die Nockenflächen entlang der Berührungslinie
zwischen den Kupplungsplatten gleichmäßig ab, bis dieser Winkel Oo erreicht, wenn
sich die Nocken in ihren Scheiteln berühren. Wenn dieser Punkt erreicht ist, dann
tritt ein stufenweises Gleiten zwischen den Kupplungsplatten auf, wobei die Nocken
de beiden Kupplungsplatten nach jeder stufenweisen Gleitbewegung zwischen den Kupplungsplatten
für einen Antrieb wieder in eine Eingriffsstellung kommen. Solange wie das Uberlastmoment
wirkt, folgt auf jede erneute Eingriffsstellung eine axiale Trennung der Kupplungsplatten
und ein weiteres stufenweites Gleiten.
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Bei hohen Drehzahlen erreichen die Kupplungsplatten keine erneute
vollständige Eingriffsstellung, sondern nehmen eine in der Fig.5C gezeigte Stellung
ein, in welcher sie sich in Linien berühren, die sich in einem Abstand zur Teilungslinie
P befinden. Die Berührungslinien liegen daher nicht in der Ebene der Teilungslinie
P, und das übertragene Drehmoment ist daher kleiner als dasjenige Drehmoment, das
zu demjenigen Zeitpunkt zwischen den Kupplungsplatten übertragen wurde, als sich
diese zu
trennen begannen. Es wird also kein Drehmoment übertragen,
wenn die Kupplungsplatten zu gleiten anfangen, und wenn das Überlastmoment aufrechterhalten
wird, dann bleibt die angetriebene Kupplungsplatte 22 stehen. Dieser Zustand oder
diese Eigenschaft tritt unabhängig von dem vom Arbeiter ausgeübten Druck auf. Das
Ausgangsdrehmoment kann darüber hinaus unabhängig von der während des Gleitvorganges
herrschenden Drehzahl durch eine Einstellung der von der Druckfeder 24 ausgeübten
Federkraft eingestellt werden, wobei eine Einstellung um + 5% des vorgegebenen Drehmomentes
erfolgen kann.
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Der während des Gleitens dieser Kupplung auftretende Verschleiß ist
gegenüber demjenigen Verschleiß, der während des Gleitvorganges anderer Kupplungen
auftritt, erheblich verringert.
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In gewissen Fällen ist der Einsatz einer Schlagkräfte ausübenden Kupplung
erwünscht. In solchen Fällen erfolgt eine Änderung der vorbeschriebenen sinusförmigen
Nocken fläche gemäß der Fig.6. Hierbei ist jeder zweite Nocken weggelassen. Aus
einer Sechsnockenkupplung wird daher eine Dreinockenkupplung. Bei dieser Ausführung
tritt der anhand der Fig.5C beschriebene Zustand nicht auf, und die Kupt.lungsflächen
kommen wieder nach jeder Gleiten bewegung in einen vollständigen Eingriff. Der erneute
vollständige Eingriff führt dazu, daß das Ausgangsdrehmoment während des Schlages
zunimmt, ähnlich wie bei einem Schlagschrauber. Eine solche Kupplung besitzt eine
kürzere Lebensdauer als eine Kupplung, die keine Schlagkräfte ausüben kann.
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In der vorstehenden Beschreibung wurde ein besonderer Anwendungsfall
der erfindungsgemäßen Kupplung geschildert, wobei ein Antriebsteil mit einem Werkzeug
zusammenvirkt, wie z.B. mit einem Schraubenzieher. Der vorbeschriebene Kupplungsmechanismus
ist in den meisten Fällen anwendbar, in denen ein übertragenes Drehmoment begrenzt
werden soll.
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Durch eine Veränderung der Nockenausgestaltung und des Federdruckes
wird es möglich, die Überlastkupplung auf irgendein bestimmtes Ausgangsdrehmoment
einzustellen oder durch eine entsprechende Änderung der Kraft, die durch die Feder
auf die angetriebene Kupplungsplatte ausgeübt wird, mit Hilfe irgendeiner geeigneten
Einrichtung die Einstellung dieses Ausgangsdrehmomentes vorzunehmen.
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Die vorbeschriebene Kupplung kann bei angetriebenen Werkzeugen mit
unterschiedlichen Arbeitsköpfen angewendet werden, wie dies bereits in der US-PS
3 451 514 beschrieben ist.
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Die Überlastkupplung wird in herkömmlicher Weise von einem Motor angetrieben,
welcher in geeigneter Weise über ein Getriebe mit der Antriebsspindel im Eingriff
steht. Die Motordrehzahl und die Ubersetzung kann geändert werden, um eine geeignete
Ausgangsdrehzahl zu erreichen. Die schlupffrei arbeitende Antriebskpplung 14 ermöglicht
es, daß sich der Motor mit seiner vollen Drehzahl dreht, während die Kupplungswelle
12 steht, so daß der Arbeiter eine Anzugseinrichtung an der Spannfutterwelle 30
befestigen kann.
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Um die Anzugseinricatung anzutreiben, übt der Arbeiter
einen
Axialdruck auf das Werkzeug aus, das seinerseits einen Druck auf die Spannfutterwelle
30 ausübt, welche auf die Kupplungswelle 12 drückt, so daß die schlupffret arbeitende
Antriebskupplung 14 in Eingriff kommt und die' Drehbewegung auf die Spannfutterwelle
30 dann übertragen wird.
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Wenn das auf die Spannfutterwelle 30 wirkende Widerstandsmoment derart
zunimmt, daß die Kupplungsplatten 20 und 22 nicht länger im Eingriff bleiben, dann
heben sich diese Kupplungsplatten teilweise voneinander ab und gleiten, wie dies
in den Fig.5B und 5C gezeigt ist. Die Kupplungsplatte 20 wird in ihrer Axialstellung
von dem Axiallager 18 gehalten. Die angetriebene Kupplungsplatte 22 bewegt sich
in Axialrichtung entgegen der Federkraft der Feder 24. Der sich während des Gleitens
durch diese Axialbeweguna der Kupplungsplatte 22 aufbauende Federdruck ist nicht
ausreichend, um die Größte des Ausgangsmomentes zu beeinflussen, da die. Berührungslinien
der Kupplungsplatten durch die entsprechende Abnahme des Berührungswinkels ein kleineres
Drehmoment zwischen den Platten übertragen.
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Während des stufenweisen Gleitens drehen sich die Teile von der Kupplungsplatte
20 zum Motor ohne Unterbrechung weiter. Die Teile-von der angetriebenen Kupplungsplatte
22 bis zur Spannfutterwelle 30 bleiben solange stehen wie das Antriebswerkzeug mit
der angezogenen Anzugseinrichtung im Eingriff steht. Sobald das Werkzeug von der
Anzugseinrichtung entfernt ist, kommen die Kupplungsflächen wieder miteinander in
Eingriff, wie dies in der Fig.5A gezeigt ist, und der Arbeitszyklus kann wiederholt
werden.
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Da unterschiedlich große Drehmomente gefordert werden, ist es wünschenswert,
daß man das maximale Ausgangsdrehmoment der Überlastkupplung ändern kann. Dies wird
durch eine *Enderung des von der Feder 24 auf die Kupplungsflächen ausgeübten Druckes
erzielt. Die Feder 24 dreht sich gemeinsam mit der angetriebenen Kupplungsplatte
22 und der Spannfuttenvelle 30. Die Feder dreht sich gegenüber dem sich nicht drehenden
Einstellring 32.
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Die Vorteile der vorbeschriebenen Überlastkupplung sind folgende:
1. Eine gleichmäßige Drehmomentenübertragung bis zum Zeitpunkt des Gleitens; 2.
eine Drehmomentensteuerung unabhängig von der von dem Arbeiter ausgeübten Druckkraft;
3. große VerschleißElachen, durch welche die Lebensdauer vergrößert wird; 4. eine
einfach einzustellende Federspanneinrichtung, die keine gefährliche Drehung ausführt;
5. Genauigkeit der Drehmomenteneinstellung auf + 5%, was bei bisher bekannten Einrichtungen
nicht möglich war, und 6. leichte Verwendbarkeit in Verbindung mit verschiedenen
anderen Drehmomentensteuervorrichtungen.