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Elastische Wellenkupplung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elastische Wellenkupplung, bei
der eine Nabe drehfest mit einer ersten Welle, ein die Nabe zumindest teilweise
übergreifendes Kupplungsgehäuse drehfest mit einer zweiten Welle verbunden ist,
und zwischen Nabe und Kupplungsgehäuse mindestens ein zugelastisches Übertragungselement
angeordnet ist.
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Derartige Kupplungen sind bekannt (VDI-Berichte Nr. 73, 1963).
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Sie werden überall dort eingesetzt, wo Drehzahländerungen und -schwankungen
eines Antriebsaggregates maximal gedämpft auf die angetriebene Vorrichtung übertragen
werden sollen. Bei einer bekannten Kupplung wird ein hochelastischer dämpfungsreicher
Gummireifen verwendet, der kraftschlüssig mit der Nabe und einem auf der Abttiebsseitesitzenden
Flanschmantel verbunden ist. Der Gummireifen besteht aus einem Traggewebe aus
Nylon,
das in einer hochwertigen Gummimischung eingebettet ist.
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Es ist ferner bekannt, einen polygonartigen Gummireifen kraftschlüssig
mit den Kupplungsteilen zu verbinden. Hier besitzt das Dämpfungselement keinerlei
Einlagen.
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In beiden bekannten Fällen werden die Übertragungs und Dämpfungselemente
im wesentlichen auf Zug belastet. Bei Drehmoment-Wechselbelastungen tritt jedoch
auch eine Druckbelastung auf, wobei insbesondere bei höheren kritischen Drehzahlen
erhebliche Wechselbelastungen in Erscheinung treten. Da die Dämpfungsenergie der
Übertragungselemente infolge innerer Reibung in Wärme umgesetzt wird, ist vor allem
in den kritischen Bereichen eine erhebliche Wärmeentwicklung zu verzeichnen, deren
Abschwächung oder Beseitigung Probleme mit sich bringt. Die natürliche Kühlung der
Kupplungsteile und der Übertragungselemente durch die umspülte Umgebungsluft reicht
zur Kühlung nicht immer aus, so daß insbesondere eine Gefährdung der zumeist aus
Gummi bestehenden Übertragungselemente gegeben ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elastische Wellenkupplung
zu schaffen, die bei gleichzeitig ausgezeichneten angepaßten Dämpfungseigenschaften
eine ausreichende Kühlung sicherstellt.
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Bei einer elastischen Wellenkupplung der eingangs genannten Art wird
diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere in gleichen Umfangsabständen angeordnete
radiale Übertragungselemente vorgesehen
sind und das Kupplungsgehäuse
im Bereich der Übertragungselemente mit radialen Öffnungen versehen ist.
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Die einzelnen, radialen Zugelemente bewirken, daß die Kupplung hinsichtlich
ihrer dynamischen Drehsteifigkeit im Anfahrmoment, d.h. bei geringer Verdrehung,
sehr weich arbeitet und damit Drehmomentstöße beim Anfahren und Durchfahren der
kritischen Drehzahlen auffängt und kompensiert. Bei zunehmendem Drehmoment und zunehmender
Verdrehung wird die Kupplung steifer, so daß im wesentlichen nur noch Drehschwingungen
höherer Frequenzen gedämpft werden. Gemäß der Erfindung sind nun im Kupplungsgehäuse
jeweils zwischen den Übertragungselementen radiale Öffnungen vorgesehen. Dadurch
wirktdas Kupplungsgehäuse nach Art einer Pumpe indem Luft durch Zentripetalkraft
nach außen durch die Öffnungen gedrückt wird und der dadurch entstehende Unterdruck
im Kupplungsgehäuse frische Luft von außen seitlich in das Kupplungsgehäuse einzieht.
Auf diese Weise entsteht eine Kühlluftzirkulation in der Kupplung, wodurch die Kupplungs-Übertragungselemente
ständig mit frischer Kühlluft bestrichen werden. Bei der erfindungsgemäßen Wellenkupplung
wird die Kühlwirkung ohne Einbuße an die Übertragungseigenschaften und die Stabilität
der Kupplung erreicht. Ferner bedingt die erfindungsgemäße Kupplung trotz der vorteilhaften
Wirkung keinen größeren Fertigungsaufwand als die bekannten Kupplungen.
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Es wurde oben erwähnt, daß das Antriebsmoment über Zugkräfte in den
Übertragungselementen auf die Abtriebseite gegeben wird.
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Diese können von erheblicher Größe sein, was mit entsprechender Verschleißgefahr
verbunden ist. Dadurch, daß bei der erfindungsgemäßen Wellenkupplung im Kupplungsgehäuse
radiale Öffnungen vorgesehen sind, besteht die Möglichkeit, den Radius des Kreises,
auf dem die Befestigungsbolzen angeordnet sind, zu vergrößern, indem gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung die radial in äußeren Enden der Übertragungselemente
teilweise/die radialen Öffnungen hineinreichen, jedoch einen gewissen Abstand zum
Öffnungsrand einhalten. Auf diese Weise unterlegen die Übertragungselemente reduzierten
Zugkräften. Durch Einhaltung des Abstands vom Öffnungsrand kann genügend Luft durch
die radialen Öffnungen austreten, um eine ausreichende Kühlung sicherzustellen.
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Für den Aufbau der erfindungsgemäßen Wellenkupplung sind verschiedene
Möglichkeiten denkbar. In einer Ausgestaltung der Erfindung ist in diesem Zusammenhang
vorgesehen, daß die Nabe am Umfang eine Ringausnehmung aufweist, in der die inneren
Enden der Übertragungselemente einsitzen und mittels axialer Paßstifte gehalten
sind und die äußeren Enden der Übertragungsim elemente durch/Gehäuse gehaltene,
axiale Paßstifte befestigt sind.
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Eine wirksame Kraftübertragung bei der erfindungsgemäßen Wellenkupplung
ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, wenn das Gehäuse
ein erstes Bauteil aufweist mit einem radialen Ringabschnitt und radial außen liegenden
axialen Flanschabschnitten, die zwischen den Übertragungselementen zu liegen kommen,
und ein zweites Bauteil in Form eines ringförmigen
Kupplungsflanschesw
der über Befestigungsmittel mit dem axialen Flanschabschnitt verbunden ist, und
die äußeren Enden der Übertragungselemente sowohl mit dem Ringabschnitt als auch
dem Kupplungsflansch verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist das Kupplungsgehäuse
käfigartig ausgebildet und gewährleistet einerseits eine stabile Kupplungskonstruktion
bei gleichzeitig wirksamer Belüftung der Übertragungselemente.
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Damit für die durch die radialen Öffnungen austretende Luft frische
Luft in das Kupplungsgehäuse nachströmen kann, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung vorgesehen, daß das Gehäuse axiale Öffnungen aufweist, die mit einem
durchgehenden Loch in den Übertragungselementen ausgerichtet sind.
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Das Loch in den Übertragungselementen soll in erster Linie die Federkennlinie
bestimmen. Gleichzeitig ermöglicht es jedoch den Hindurchtritt eines axialen Kühlluftstromes'*
der allein* wie oben bereits ausgeführt, nicht zur Kühlung ausreicht, sondern durch
einen Kühl luftstrom mit axialem Eintritt und radialem Austritt wirksam ergänzt
werden muß. Zweckmäßigerweise werden keine gesonderten Öffnungen im Kupplungsgehäuse
vorgesehen, vielmehr wird gemäß einer weiteren Ausgestltung der Erfindung ein radialer
Abstand zwischen Ringabschnitt und Kupplungs flansch einerseits und Nabe andererseits
vorgesehen.
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Bei den bisher beschriebenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Wellenkupplung hängt der Kühlungsgrad von mehreren, nicht beeinflußbaren veränderbaren
Parametern ab. Zum einen kann die Belastung der elastischen Übertragungselemente
sich
ständig in Abhängigkeit von den Drehmomentänderungen und Schwankungen
auf Antriebs- und Abtriebsseite ändern. Wesentlich für die Wirksamkeit des Kühleffektes
ist auch die Temperatur der Umgebungsluft. Um diesem Übelstand zu begegnen, kann
gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, daß ein vorzugsweise
steuer- oder regelbares Wärmeaustauschaggregat vorgesehen ist, über das die Luft
vor Eintritt in die axialen Öffnungen des Gehäuses gelenkt wird. Mit Hilfe einer
derartigen Maßnahme kann die Temperatur der Übertragungselemente konstant gehalten
werden. In diesem Zusammenhang sieht eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vor,
daß ein dem Kupplungsgehäuse vorgeschaltetes Kühlgehäuse vorgesehen ist, das mit
den axialen Öffnungen verbunden ist und mindestens eine Einlaßöffnung für Kühlluft
aufweist. Das Kühlgehäusekann beispielsweise drehfest mit dem Kupplungsgehäuse verbunden
sein und gegenüber der Nabe bzw. der zugehörigen Welle abgedichtet sein.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll nachfolgend anhand von
Zeichnungen näher beschrieben werden.
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Fig. 1 zeigt perspektivisch und schematisch die erfindungsgemäße Kupplung.
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Fig. 2 zeigt die gleiche Abbildung wie Fig. 1 mit einem zusätzlichen
Bauteil.
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Fig. 3 zeigt die Seitenansicht eines Teils der Kupplung nach Fig.
1 sowie eine Draufsicht auf einen Abschnitt.
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Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Teil der Kupplung nach
nach
Fig. 1.
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Fig. 5 zeigt in Seitenansicht und Draufsicht die Nabe einer Kupplung
nach Fig. 1.
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Fig. 6 zeigt ein weiteres Bauteil der Kupplung nach Fig. 1 in Seitenansicht
und im Schnitt.
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Fig. 7 zeigt einen Kupplungsflansch der Kupplung nach Fig. 1 in Seitenansicht
und im Schnitt.
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Fig. 8 zeigt die Draufsicht und die Seitenansicht eines Übertragungselements.
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Der Aufbau der erfindungsgemäßen Kupplung geht besonders klar aus
Fig. 4 hervor. Eine Nabe 10, die mit einer ersten Welle 11 (Fig. 1) verbindbar ist,
besitzt eine Ringnut 12, in der das untere Ende eines elastischen Übertragungselements
13 aus Gummi einsitzt. Die Nabe 10 ist mit mehreren im gleichen Umfangsabstand angeordneten
Bohrungen 14 versehen zur Aufnahme von Paßstiften 15, die durch ein durchgehendes
Loch 16 im Übertragungselement 13 hindurchgeführt sind. Der Paßstift 15 ist mit
Hilfe einer Schraube und einem kreisförmigen Unterlegband 18 gesichert.
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Auf der einen Seite des Übertragungselements 13 ist ein Bauteil 19
konzentrisch zur Nabe 10 angeordnet, dessen Aufbau deutlicher aus den Figuren 1
und 6 hervorgeht. In Fig. 4 ist lediglich ein radialer Ringabschnitt 20 zu erkennen,
der (gemäß Fig. 1) mit mehreren Durchbohrungen 21 versehen ist, die in gleichmäßigem
Umfangsabstand angeordnet sind. Auf der anderen Seite des Übertragungselements
13
ist konzentrisch zur Nabe 10 ein ringförmiger Kupplungsflansch 22 angeordnet, der
Bohrungen 23 aufweist, die mit den Bohrungen 21 im Abschnitt 20 ausgerichtet sind.
Durch die Bohrungen 21 und 23 erstreckt sich jeweils ein Paßstift 24, der durch
ein ausgerichtetes durchgehendes Loch im äußeren Endbereich des Übertragungselements
13 hindurchgeführt ist. Der Paßstift 24 ist wiederum durch eine Schraube 26 und
ein ringförmiges Band 27 gesichert.
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Der Kupplungsflansch 22 hat eine Schulter 28, die die Oberseite des
Übertragungselements 13 übergreift. Kupplungsflansch 22, Ringabschnitt 20 und Nabe
10 haben im Bereich einer durchgehenden Öffnung 29 in der Mitte des Übertragungselements
23 flächen von diesem fliehende Seiten 30, so daß die Seiten des Übertragungselements
13 an dieser Stelle an diesen Bauteilen nicht anliegen.
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Der Kupplungsflansch 22 besitzt an der Außenseite einen Absatz 31
zur Befestigung mit einer Schwungscheibe 32 einerAntriebsmaschine (Fig. 1).
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Ringabschnitt 20 und Kupplungsflansch 22 sind in radialem Abstand
zur Nabe 10 angeordnet, wodurch ringförmige axiale Öffnungen 33 34 gebildet sind,
die zueinander und zu den durchgehenden Löchern 29 im Übertragungselement 13 ausgerichtet
sind.
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Der Aufbau des Bauteils 19 ist in Fig. 6 zu erkennen. Er besteht aus
dem bereits erwähnten Ringabschnitt 20, der an der Innenseite
und
am Umfang eine Reihe von axialen Flanschabschnitten 35 aufweist, die einstückig
mit dem Ringabschnitt 20 geformt sind.
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Die axialen Flanschabschnitte 35 haben den gleichen Umfangsabstand
voneinander, so daß zwischen diesen radiale Öffnungen 36 gebildet sind. Die axialen
Flanschabschnitte sind mit axialen Bohrungen 37 versehen, durch die Schraubenbolzen
38 (siehe Fig. 3) hindurchgeführt sind zur Befestigung mit dem Kupplungsflansch
22 (Fig. 4). Die axialen Flanschabschnitte 35 sind im Querschnitt trapezförmig gebildet,
so daß sich radial nach innen erweiterte Öffnungen 36 ergeben, in die das radial
äußere Ende eines Übertragungselements 13 sich hineinerstrecken kann (Fig. 3). Nichtsdestoweniger
bleibt jedoch ein ausreichender Abstand zwischen Übertragungselement 13 und axialen
Flanschen 35, so daßich bei einer Drehung der Kupplung ein Pumpeneffekt einstellt,
durch den Luft über die Öffnungen 36 herausgedrückt und gleichzeitig über die Ringöffnung
33 frisch angesaugt wird, um die Wärmeentwicklung in den Übertragungselementen 13
zu begrenzen. Der Luftstrom ist durch Pfeile 38 in den Figuren 1 und 2 angedeutet.
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Durch die radialen Öffnungen 36 besteht die Möglichkeit, das radial
außen liegende Ende der Übertragungselemente verhältnismäßig weit nach außen zu
verlagern und damit auch die Befestigung in diesem Bereich, so daß auf diese Weise
die Zugbelastung am Übertragungselement reduziert wird.
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Der Aufbau des Übertragungselements 13 ist in Fig. 8 zu erkennen.
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Es hat in Draufsicht rhombische Gestalt, wobei vor allem die
obere
und untere Ecke stark gerundet ist. An den Seitenrändern läuft eine Hohlkehle 39
um. Die Öffnungen 16 und 25 werden von Metallhülsen 40 gebildet, die im Übertragungselemente
13 eingebettet sind. Die mittige Öffnung 29 ist als Langloch geformt und vermittelt
mit der übrigen Form eine Federkennlinie der Art, daß bei geringer Verdrehung die
Kupplung hochelastisch arbeitet und somit beim Anfahren und Durchfahren der kritischen
Drehzahlen Drehmomentstöße auffängt und kompensiert. Bei zunehmendem Drehmoment
und zunehmender Verdrehung wird die Kupplung steifer, so daß im wesentlichen nur
noch Drehschwingungen höherer Frequenzen gedämpft werden. Insbesondere bei kritischen
Resonanzfrequenzen kommt es dabei zu einer erheblichen Erwärmung des Übertragungselements
13, der jedoch durch die Kühlluftführung wirksam begegnet wird.
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Fig. 2 zeigt eine alternative Möglichkeit zur Kühlung der Kupplung.
Zu diesem Zwecke ist ein separates Gehäuse 41 vorgesehen (in gestrichelten Linien
dargestellt), das stationär zu Bauteil 19 und Welle 11 gehalten und gegenüber diesen
abgedichtet ist. Über einen Stutzen 42 kann Luft in das Gehäuse 41 eintreten und
von dort in die Kupplung strömen und über die radialen Öffnungen 36 wieder austreten.
Bei dieser Ausführungsform läßt sich die zugeführte Kühlluft zum Gehäuse 41 nach
Belieben steuern, um eine gewünschte Temperatur in der Kupplung aufrechtzuerhalten.
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Darüber hinaus ist möglich, ein Kühlaggregatvorzuschalten, um über
den Stutzen 42 Kühlluft mit vorgegebener Temperatur einzuleiten. Schließlich ist
möglich, eine Fühlvorrichtung vorzusehen, die die jeweilige Temperatur in der Kupplung
ermittelt,
damit die Zufuhr bzw. die Temperatur der zugeführten
Luft je nach Bedarf eingestellt bzw. geregelt werden kann.
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Es ist jedoch auch möglich, das Gehäuse 41 drehfest, beispielsweise
mit dem Bauteil 19 zu verbinden, wobei jedoch dann Vorkehrungen getroffen werden
müssen, wenn gesteuerte oder geregelte Zuluft zum Gehäuse 41 geleitet werden soll.
Für diesen Zweck ist beispielsweise denkbar, um das Gehäuse 41 ein weiteres stationäres
Gehäuse anzuordnen, dem die gekühlte Luft mit vorgegebener Menge zugeführt wird.
In diesem Fall ist der Stutzen 42 jedoch stark zu kürzen oder in Fortfall zu bringen.
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