DE2510398A1

DE2510398A1 - Kupplungsvorrichtung fuer sehr schnell rotierende teile

Info

Publication number: DE2510398A1
Application number: DE19752510398
Authority: DE
Inventors: Louis Bourgain; Joseph Peano
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1974-03-11
Filing date: 1975-03-10
Publication date: 1975-09-18
Also published as: NL7502733A; GB1472372A; FR2264218A1; US3987322A; FR2264218B1

Description

Patentanwalt

Dr. Hans Ulrich May

8 München 22
TWerschstr. 27 - Tel. 225051

£F^S92l11§1 München, den 10. März 1975

B 5093.3 PG Dr.M./es

Commissariat ä I¹Energie Atomique in Paris/Prankreich

Kupplungsvorrichtung für sehr schnell rotierende Teile

Die Erfindung betrifft eine Kupplungsvorrichtung für sehr schnell rotierende Teile, um einen elektrischen Antriebsmotor mit einem sehr schnell angetriebenen Teil zu verbinden.

Gewöhnlich besteht eine solche Kupplungsvorrichtung aus einem starren Kupplungsstab, gegen dessen Oberfläche eine Dichtungspackung eines Lagers anliegt, falls der angetriebene Teil in einer von der Umgebung zu isolierenden Atmosphäre angeordnet ist, vobei diese Dichtung im allgemeinen mit Vorrichtungen zur Dämpfung von Querschwingungen des Stabes verbunden ist. Es sei bemerkt, daß bei dieser Lösung die Eigenfrequenz des Stabes stets höher als die nominale Umdrehungsgeschwindigkeit ist, da die benutzten Lager und Dämpfungsvorrichtungen womöglich das Überschreiten von kritischen Geschwindigkeiten nicht aushalten.

Wenn man nun die Veränderung der Eigenfrequenz der Stange für eine gegebene Länge L und ein gegebenes Gewicht des angetriebenen Teils in Abhängigkeit von dem Durchmesser d der Stange untersucht, kann man in einem Koordinatensystem, wo die Frequenz als Ordinate und der Durchmesser als Abszisse aufgetragen ist, ein Diagramm vie in

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der beigefügten Fig. 1 erhalten. Man erkennt, daß bei einem erheblichen Durchmesser des Stabes dieser mit einem starren Träger vergleichbar ist, bei dem die Eigenfrequenz mit wachsendem Durchmesser steigt. Wenn dagegen der Durchmesser des Stabes sehr gering ist, bildet er eine schwingende Saite, deren Frequenz mit steigendem Durchmesser abnimmt. Bei Vergrößerung der Länge des Stabes verschiebt sich die Kurvenschar in Richtung auf geringere Frequenzen, umgekehrt bei Verkürzung des Stabes in Richtung auf höhere Frequenzen, Die in Fig. 2 gezeigten Kurven zeigen die Veränderung der Eigenfrequenz des Stabes in Abhängigkeit vom Durchmesser in drei aufeinanderfolgenden Vibrationsmc4en (erste , zweite und dritte Mode, schematisch mit I, II und III bezeichnet). Danach verringert sich die Frequenz bei einem bestimmten Typ (beispielsweise I), wenn der Stab langer wird. In der Kurvenschar dieser Fig. 2 gelten die Kurven jeweils für Längen von 30, 40 und 50 cm.

Ausgehend von diesen Versuchsergebnissen wird nun durch die Erfindung eine vervollkommnete Kupplungsvorrichtung zwischen einem Antriebsmotor und einem durch diesen drehend angetriebenen Element mittels eines unter Zugspannung arbeitenden Stabes vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß für ein bestimmtes Gewicht des angetriebenen Teils und ein bestimmtes Drehmoment der Durchmesser und die Länge des Stabes so gewählt sind, daß die Eigenfreqiiens dieses Stabes im wesentlichen einen Mindestwert und die Querstabilität einen Höchstwert erreicht.

Wenn man so die verschiedenen Kurven der in Fig. 1 gezeigten Schar für eine beliebige gegebene Länge L des Stabes, z.B. 25 cm, und für ein zwischen 1000 und 9000 g liegendes Gewicht des von dem Stab angetriebenen Teils aufzeichnet, erhält man die mit a bis i bezeich-

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neten Kurven„ welche sämtlich von der Geraden A an einem Punkt geschnitten werden, dessen Koordinaten im wesentlichen die Eigenschaft des erfindungsgemäß auszuwählenden Stabes definieren.

Wenn das Gewicht vxiö die Umdrehungsgeschwindigkeit des angetriebe-υ-sii Teils gegeben sind, werden der Durchmesser und die Länge des s-.abes so bestimmt, daß man die kritischen Frequenzen in der Nähe des Minimums der ihre Veränderung wiedergebenden Kurven überschrei-Irr,, da diese Zone einem sehr stabilen Betriebszustand des Stabes i.-nvnpricht. Dieser Durchmesser und diese Länge werden außerdem so bestimmt, daß der Betriebspunkt bei der Nominalfrequenz von jeder Kurve entfernt ist, die einer der kritischen Frequenzen entspricht, «vobsi der Durchmesser stets größer als der Mindestwert sein muß, öev -sich aus Gründen der mechanischen Festigkeit, besonders in Abhängigkeit vom angelegten Drehmoment,, ergibt. Das führt dazu,, eine hänge von mindestens dem 5O~fachen Durchmesser und im allgemeinen waschen aem 90- und 200-fachen Durchmesser, je nach der Masse des angehängten angetriebenen Teils zu wählen.

lafolcre dieser Maßnahmen und im Gegensatz zu den üblichen Lösungen .l-csMi ehe Betriebsfr-equens höher als die mehreren aufeinanderfolgen-IcK Vr-.braticnsn-sdesi des Stabes entsprechende Frequenz sein. Außer— d«™ ergibt sich ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsge« mäßen Kupplungsvorrichtung durch den geringen Durchmesser des Stabes ρ dessen Reaktionen auf Einspannungen genügend klein sind, um ai'f- prii.sisionsausvmchtpjigen des eingetriebenen Teils verzichten zu können_P Mar- findet _P daß die Schwerkraft von selbst eine Gleiehge- -inchtssinsteXHmg bewirkt und man nicht, wie bei den üblichen Lö-•svugm. über d: e J/jnrje des Stabes verteilte Führungslager vorsehen

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Infolge der für den Verbindungsstab gewählten Konfiguration ergibt sich auch eine vollkommene mechanische Entkopplung zwischen dem Antriebsmotor und dem angetriebenen Teil.

Um die geringen Schwingungen des Stabes beim Durchlaufen der kritischen Geschwindigkeiten bei der Steigerung der Geschwindigkeit des angetriebenen Teils zu dämpfen, ist eine mit dem Stab zusammenwirkende Dämpfungsvorrichtung vom Trockentyp oder zähflüssigen Typ vorgesehen. Wegen des sehr geringen Durchmessers des Stabes ist je~ doch dessen Umfangsgeschwindigkeit stets sehr gering, weshalb man diese Trockendämpfungsvorrichtung sehr einfach ausbilden kann und diese dennoch sofort und mit einem Wirkungsgrad vergleichbar dem von zähflüssigen Dämpfungsvorrichtungen -wirkt, da die Amplitude der zu dämpfenden Schwingungen und die vom Stab auf die Dämpfungsvorrichtung ausgeübte Kraft stets sehr gering bleiben.

Gemäß ein«r vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht das mit dem Stab zusammenwirkende Dämpfungssystem aus einem oder mehreren Stapeln von Tabletten mit parallelen Flächen, die jede einzeln an einer Reibfläche oder aneinander reiben und eine Mittel·« bohrung aufweisen, durch die mit einem minimalen Spiel der Verbindungsstab geführt ist, wobei diese Tabletten gemeinsam oder getrennt durch mindestens eine Regelfeder gegen Reibscheiben gedrückt werden, die mit einer Halterung fest verbunden sind.

Bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist jeweils ein Stapel von Tabletten an mehreren Punkten des als Welle wirkenden Stabes angeordnet, wobei diese Punkte sorgfältig in Abhängigkeit von den zum Erreichen des nominalen zustands su überwindenden kri« tischen Frequenzen gewählt sind.

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Da die auftretenden Umfangsgeschwindigkeiten wegen des stets sehr kleinen Durchmessers des Stabes sehr gering sind, können die Mehrzahl der üblichen Reibmaterialien zur Herstellung der Tabletten dienen.

Durch Benutzung mehrerer Reibtabletten, die nicht gleichzeitig wirken, kann man mit diesem System besonders die Reibschwelle jeder Tablette verringern, jedoch gleichzeitig eine genügende Verschiebungskraft beibehalten, um die gewünschte Dämpfung zu gewährleisten. Infolge dieser Dämpfung in Kombination mit den Eigenschaften der Querstabilität des Stabes kann man bei senkrechtem angetriebenen Teil auf ein oberes Lager verzichten, das sonst unumgänglich wäre.

Die Abdichtung ist einerseits durch das geringe Spiel, das zwischen der Reibtablette und dem rotierenden Stab besteht und zu einem erheblichen Druckabfall führt, und andererseits durch eine mit dem Stab in der Nähe des angetriebenen Teils fest verbundene Scheibe gewährleistet, die sich vor einem feststehenden Teil verschiebt, welcher die Halterung der Dämpfungsvorrichtungen sein kann, wobei die eine der beiden Flächen vorteilhafterweise so bearbeitet ist, daß sie eine Molekularpumpe bildet, welche die Evakuierung der Kammer besorgt und die kleine Gasmenge abpumpt, die um die Tabletten herum eindringen konnte.

Die Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten und Vorteilen erläutert durch die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht· Hierin zeigen: - i?ig. 1 schematisch, wie bereits angegeben, die Schar der Kurven, die für eine gegebene Länge L des Verbindungsstabes die Veränderung der Eigenfrequenz dieses Stabes in Abhängigkeit von seinem Durchmesser d und der Masse des daran

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hängenden beweglichen Teils angibt;

- Fig. 2 andere Kurvenscharen, die in Abhängigkeit vom Durchmesser des Stabes die Veränderung seiner Eigenfrequenz bei mehreren aufeinanderfolgenden Schwingungsiaoden wiedergeben;

- Fig. 3 einen schematisehen Längsschnitt des oberen Teils eines

angetriebenen Teils und seines Verbindungsstabes, der ei~ ne erfindungsgemäße Kupplungsvorrichtung bildet;

- die Figuren 4 und 5 zwei schematische Schnitte eines Dämpfungssystems, das zusammen mit dem Verbindungsstab benutzt werden kann;

- Fig. 6 ein Schema des Dämpfungsprinzips zur Erläuterung seiner

Arbeitsweise.

Fig. 3 zeigt das obere Ende 1 eines beweglichen Teils 2, der über ein zentrales Anschlußstück 3 mit einem Stab 4 verbunden ist, der die Verbindung zwischen diesem beweglichen Teil und einem nicht gezeigten Elektromotor bildet, der den beweglichen Teil in Drehung versetzt. Die Eigenschaften des Stabes 4, besonders hinsichtlich seines Durchmessers und seiner Länge für ein bestimmtes Gewicht des beweglichen Teils 1_; sind unter Berücksichtigung der Kurven der Figuren 1 und 2 in der bereits erläuterten Weise bestimmt, besonders mit Bezug auf den Schnittpunkt der entsprechenden Kurve und der Geraden A.

Die so gebildete drehbare Anordnung ist im Inneren eines dichten Gehäuses gehalten, von dem in Fig. 3 nur der obere Teil 5 gezeigt ist. Dieses Gehäuse weist eine Bohrung für den Durchgang des Stabes 4 auf, in der koaxial zum Stab eine Führungsbüchse 6 angeordnet

Bohrung
ist, die gegenüber der / des Gehäuses 5 durch eine Ringdichtung 7

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abgedichtet ist. Eine Anschlageinrichtung 8 ist am unteren Teil der Führungsbüchse 6 des Gehäuses 5 durch Befestigungsbolzen 9 festgehalten. Die Führungsbüchse 6 weist an ihrem oberen Ende ein Innengewinde auf, in das eine Muffe 10 fest eingeschraubt ist, in der ein Schwingungsdämpfungssystem 11 gehalten ist, das in an sich üblicher Weise einen Dämpfungsstopfen 12 aufweist, der eine Mittelböhrung für den Durchgang des Stabes 4 und zwei Andruckplatten 13 und 's4 aufweist, die durch eine Feder 15 mit regelbarem Druck gegen eine untere, mit der Muffe 10 fest verbundene Anschlagplatte 16 angedrückt sind.

Gemäß einer bevorzugten Abwandlung kann das vorangehend beschriebene Dämpfungssystem mit einer zweiten Anordnung 18 kombiniert werden, die in einer Gewindehülse 19 gehalten ist, die ihrerseits eine Halterung 20 trägt.

Die Figuren 4 und 5 zeigen in größerem Maßstab Einzelheiten der Aus~ ,führung dieses Dämpfungssystems 18 im Inneren seiner Halterung 20. Wie besonders Fig. 4 zeigt, besteht dieses System aus drei überein-= ander angeordneten Tabletten 21, 22 und 23 aus einem geeigneten Reibmaterial, z.B. Graphit, wobei der Stapel dieser Tabletten eine Mittelbohrung für den Durchgang des Stabes 4 mit minimalem Spiel aufweist. Federn 24, 25 und 26 mit regelbarer Spannung drücken diese Tabletten auf Reibscheiben 27, 28 und 29, die in der Halterung 20 vorgesehen sind, und werden an ihren entgegengesetzten Enden durch eine Deckelplatte 30 (für die Feder 2A) und durch die Unterseiten der Reibscheiben 27 und 28 (für die Federn 25 und 26) gehalten.

In der in Fig. 5 gezeigten Abwandlung sind die drei Tabletten 21, 22 und 23 im Inneren der Halterung 20 unmittelbar aufeinandergesta-

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pelt und der Verbindungsstab 4 ist durch sie hindurchgeführt. lOo.se Tabletten liegen aufeinander sowie auf dem Boden 31 der Halterung auf, dar die Reibscheibe bildet„ und v/erden durch eine Feder 32 gegen diesen gedrückt, die sich an einem Deckel 33 der Halterung 20 abstutat»

Fig. 6 schließlich zeigt schematisch die Gruppe von Kurven, welche die Entwicklung der auf jede der Tabletten des Dämpf iings systems

f
v/irkenden Kraft/Wiedergeben, die zum Verschieben dieser Tablette nötig ist. Die Verschiebungen χ sind als Abszissen und die Kräfte £ als Ordinaten aufgetragen.

Man findet, daß man sum Verschieben einer beliebigen Tableti-2 auf diese eine Anfangsfcraft JEq ausüben muß,, die größer als die Kraft P^ ist» die KiM /aufrechterhalten der in Gang gekoimaenen Bewegung erforderlich ist« was in der Kurve der Fig. 6 durch das erste Mascnvmn angegeben ist ρ Für die Verschiebimg der Tablette besteht daher eine. doppelte schwelle„ nämlicla zum einen die Schwelle der entsprechenden Verschiebung mit sehr geringem Spiel zwischen dem Verbindung:?»- stab und der- Tablette und sum anderen die Reibung entsprechend der Kraft £q_V die aur Überwindung der Anfangsreibung und sum starten der Verschiebung erforderlich ist. Infolge der Stapelung mehrex^er Tabletten in den in Fig. 4 und 5 gezeigten Anordnungen führt eine Verschiebung des Verfoimlungsstabs 4 sofort zu einer Verschiebung einer der drei Tablette:-! _r besonders wenn diese nicht genau aufeinander ausgerichtet siy/u ΨΟΓ-auf nacheinander die anderen Tabletten verschoben werden. Daraus folgt, daß die su überwindende Schwellen-- veihvng gering ist wm durch die zugehörige Regelfed^r werden Icann. Im übrigen ist zu bemerken. _s daß die Kräfte £^s _iS f"^ so festgelegt werosn können _t daß man eine optimale Parnpfunj äes S-:a-

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bas in Abhängigkeit von der Verschiebung erhält.

Me erfindungsgemäße Vorrichtung kann selbstverständlich zusammen mit üblichen Dämpf Imgsvorrichtungen benutzt werden₀ besonders vom Typ Stoßdämpfer.

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Claims

Patentansprüche

1 J Kupplungsvorrichtung zur Verbindung eines Antriebsmotors mit einem in Drehung versetsten angetriebenen Teil,das an einem unter livi ispaimung arbeitenden Verbindungsstab aufgehängt ist₀ dadurch g e

k e ii η se i c h η e t, äaß £u ? em gegebenes Gewicht des anteil)
t„^viebenea Teils/ und ein geqebanes Drehmoment der Durchmesser und

(4)

die Länge» des Stabes/so bestirnt: sr.ndj, daß das Verhältnis eier LäncT-i des Stabes zu seinem B'urchmessör über 30 und vorzugsweise su 90 und 200 liegt, die Eigenfrequenz der» Stabes .iirüiecil und die Que.:· Stabilität des angetriebenen Teils maximal s:md.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1_f dadurch gakeiinseiclmet, daß der Verbindungsstab (4) mit mindestens einem trockenen Dämpfun^ssystera zusammenwirkt, das aus einem Stapel mehraier Tabletten [2I₉22,23* mit parallelen Plächen besteht„ dxe aneinandej* oder jede einzeln an einer Reibfläche (S? ,28,29: re:-ben und eine Mittel bohrung aiu-"ei sen., durch die mit einem !ηίηπ.τη.ί-Λίΐη F pi el der· Vurbinfli-ng.qscab (4- ¹J* führt isfc» wobei diese Table'r'cQ'c. y.usirmien oder j id-s füv sich clv veh mindestens eine Regelfeder (24r?-^l5»26 32) gegen nuiviearens eine Reio scheibe {27,28,29,31) gedrückt säad *
3 a Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennseichniitp laL· der Va >■ bmdiaigsstab (4) mehrere trockene Dämpfungssystenia at'fwfttst, cixe über seine Länge an Punkten angeordnet sind, die entspreche*,^ den zu dämpfenden kritischen Frequsnsen festgallsgi: sind.

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