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Drehsteife beugeelastische Metallkupplung
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Erfindungsbeschreibung: In allen Fällen, in welchen im Prinzip koaxiale
Wellen miteinander gekuppelt werden müssen, müssen beugefähige, als Gelenk wirkende
Kupplungen eingesetzt werden, sobald die Wellen nicht mit höchster Genauigkeit bei
der Montage ausgerichtet werden können oder sich durch unterschiedliche Temperatureinflüsse
oder dergleichen aus der exakt fluchtenden Lage heraus verändem. So kann beispielsweise
eine Welle einer Dampfturbine sich nach dem Anfahren um Bruchteile eines Millimeters
oder gar mehrere Millimeter durch Wärmedehnungen im Gehäuse oder in den Lagerstützen
heben, so daß sie nicht mehr mit der Welle der angetriebenen Kesselspeisepumpe fluchtet.
Schneiden sich die Achsen der beiden Wellen auch unter veränderlichen Umwelteinflüssen,
dann genügt zum Ausgleich einer Winkel abweichung einer Wellenachse gegenüber der
anderen Wellenachse eine als Gelenk wirkende beugefähige Kupplung; verlaufen die
Wellen mit einem nicht durch Ausrichten dauernd behebbaren Abstand, dann sind zum
Ausgleich eines solchen, im Raum feststehenden aber zeitlich in seiner Größe möglicherweise
veränderlichen Fluchtungsfehlers zwei als Gelenk wirkende beugefähige Kupplungen
notwendig, die nach Art einer Gelenkwelle durch eine mitumlaufende Hülse zu verbinden
sind.
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Die Erfindung betrifft solche beugefähigen Kupplungen als Einzelgelenke
oder Gelenke einer Gelenkwelle, soweit sie im elastischen Bereich beansprucht werden,
soweit die die elastische Beugung im Gelenk zwischen den beiden Kupplungshälften
ermöglichenden Elemente metallische Federelemente oder ihnen gleichwertige Federelemente,
wie z. B. Federelemente aus glasfaserverstärkten Kunststoffen, sind und soweit die
beugeelastischen Metal lkupplungen als praktisch drehstarr gelten dürfen. Solche
Kupplungen werden im allgemeinen Maschinenbau, im Elektromaschinenbau und insbesondere
auch im Turbomaschinenbau, beispielsweise zwischen Turbine (als Kraftmaschine) und
Kompressor (als Arbeitsmaschine) zur Wellenverbindung eingesetzt, insbesondere in
der Form von Gelenkwellen mit zwei solchen Kupplungen. 1) Gegen-Uber den hierfür
auch eingesetzten bekannten Bogenzahnkupplungen haben sie den Vorteil der Verschleißfreiheit
und Wartungsfreiheit und gegenüber den starren Kupplungen, wie sie der Großturbinenbau
heute noch benötigt, den Vorteil, daß sie den Ausgleich von Fluchtungsfehlem ohne
großen Zwang ermöglichen. Daß die durch solche Zwänge entstehenden Querkräfte und
Biegemomente besonders gefährlich sind, geht schon daraus hervor, daß Biegemo-1)DIN740,
Ausgabe März 1975
mente in der Materialprüfung in sogenannten Umlaufbiegemaschinen
zur Erzeugung von Biege-Dauerbrüchen in umlaufenden Wellen ausgenutzt werden.
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Die erwähnten drehstarren beugeelnstischen Metallkupplungen bestehen
beispielsweise aus zwei sich gegenüberstehenden Kupplungshälften, an deren Flanschen
jeweils 2 Bolzen diametral, vorzugsweise in Paßbohrungen angeordnet sind. Alle im
unbelasteten Zustand unter genau 900 Zwischenwinkel zueinander angeordneten Bolzen
sind durch gleichlange Laschen nach Bild 1 miteinonder verbunden. Die beiden Kupplungshälften
1 und 2, die auf ihnen angeordneten Bolzen 11', 22', 11" und 22" und die dazwischenliegenden
Laschen 12', 21', 12" und 21" bilden also die drehmomentübertragenden Teile der
Kupplung. Wird von einer Kupplungshälfte 1, die mit ihrer Buchse auf dem Wellenzapfen
01 einer Antriebswelle angeordnet ist, ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn auf
die Kupplungshälfte 2 übertragen, so werden von den Bolzen 11' teilweise durch Lochleibungsdruck
(Flächenpressung auf dem halben Bolzenumfang) und teil weise durch Reibschluß Druckkräfte
auf die Laschen 12' ausgeübt (in Bild la unter 1350 gegenüber der nach rechts weisenden
x-Achse angeordnet). Diese Druckkräfte in den Laschen 12' werden ihrerseits von
den in Bild la im Schnitt dargestellten Bolzen 22' durch Lochleibungsdruck oder
zunächst, vor Versagen des Reibschlusses, überwiegend durch Reibschluß in der Verbindung
aufgenommen.
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Ebenso wie die Laschen 12' und 12" auf Druck beansprucht werden, sobald
auf die Bolzen 11' und 11" auf der x-x-Achse ein linksdrehendes Drehmoment vom Wellenzapfen
01 über die Kupplungshälfte 1 ausgeübt wird, so werden die Laschen 21' und 21" auf
Zug beansprucht. Bei den Laschenpaaren, zum einen 12' und 12" und zum anderen 21'
und 21" braucht es sich nicht um Paare von Einzellaschen zu handeln, es können auch
Paare von jeweils aufeinandergeschichteten Laschen, also Paare von sogenannten Laschenpaketen
sein.
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In der in Bild la gewählten Darstellung liegen die Laschen (bzw. Laschenpakete)
21' und 21" hinter einer Ebene,in der die Laschen (bzw. Laschenpakete) 12' und 12"
liegen.
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(Die in Bild 1b gezeigte Bolzen-Mutter-Verbindung mit Bolzenkopf 11"
links und Mutter 14" rechts kann auch variiert mit Bolzenkopf rechts und Mutter
links ausgeführt sein. Auch können zwischen Bolzen und Laschenaugen dünnwandige
Stahlhülsenangeordnet sein.) Metallkupplungen der in Bild 1 dargestellten Art sind
bekannt und vielseitig in Benutzung.
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Bekannt ist auch, daß sich der durch das Anziehen der Muttern erzielte
Reibschluß zwischen Kupplungsflansch, Unterlegscheiben und Laschen im Laufe der
Betriebszeit lockert und deshalb die Druck- oder Zugkräfte von den Bolzen auf die
Laschen im wesentlichen durch Lochleibungsdruck übertragen werden. Bekannt ist auch,
daß dadurch die Kräfte und die Spannungen in den druckbeanspruchten Laschen größer
werden als die Kräfte in den zugbeanspruchten
Laschen. In den ersteren
kommt erne kürzere Dehnlänge zur Wirkung als in den letzteren; die zugbeanspruchten
Laschen haben also eine geringe Ldngssteifigkeit und nehmen deshalb nur weniger
an der Lastübertragung teil als die druckbeanspruchten. 2) Nicht beachtet wurde
allerdings bisher, daß sich die Bolzen bei einer Dehnung der Laschenpaare 12' und
12" und einer Verkürzung der Laschenpaare 21' und 21" relativ zueinander nur um
den gemeinsamen Drehpunkt 0 bewegen können, daß also unter dem Einfluß der * * genannten
Formänderung die Querachse x - x in die Lage x - x und die Querachse y - y in die
Lage y3t - f verlagert wird, so wie dies in Bild 2 dargestellt ist (für etwa 50fach
vergrößerte Formänderungen). Da sich die Achsen x - x und y - y aus ihrer ursprünglich
rechtwinkligen Lage nur um den gemeinsamen Mittelpunkt 0 drehen können, müssen die
unter den Bolzen durch Reibschluß gehaltenen Laschenköpfe sich ebenfalls drehen
und zwar jeweils gegeneinander, so daß die Laschen hochkant, also in ihrer Ebene
gebogen werden und demzufolge außen höher beansprucht werden als innen. (Die Dehnlängen
der Laschen sind bei den heute eingesetzten Kupplungen dieser Art innen und außen
gleich, also müssen den größeren Dehnungen bzw. Verkürzungen außen auch größere
Spannungen zugeordnet werden.) Die Resultierende aller Kräfte je Flächeneinheit
in Laschenmitte (in Bild 2 durch Pfeile dargestellt) geht demnach nicht durch die
Bolzenmitten. Der Reibschluß zwischen der Bolzen-Mutterverbindung und den Laschen
wird also zusätzlich durch Momente beansprucht, sobald die Kupplung ein Drehmoment
übertragen muß. (Die von den gedrückten Laschen und den gezogenen Laschen jeweils
auf einen Bolzen wirkenden zusätzlichen Momente dieser Art haben das gleiche Vorzeichen
und addieren sich deshalb.) Ist dieses Drehmoment nicht zeitlich gleichbleibend,
sondern ist, was häufig der Fall, ein schwingendes Moment oder stoßartiges Moment
überlagert, dann treten diese Momente im Reibschluß um die Bolzenachse schwingend
oder stoßartig auf und führen, wie aus der Schraubenprüfung bekannt ist, zum Lockern
des Reibschlusses unter der Mutter. Daß sich der Reibschluß im Laufe der Betriebszeit
bei den beschriebenen Kupplungen lockert, ist bekannt, nicht bekannt war jedoch
bisher diese Ursache.
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Ein weiterer festigkeitsmindemder Nachteil von solchen wechselnden
oder stoßartigen Dreh-2) Markogiannopoulos, G. Ach.: Untersuchungen an Rigiflex-Kupplungen.
Unveröffentlichter Bericht Nr. 75-23.00, 25.8.1975 vom RHEINSTAHL FORSCHUNGSZENTRUM,
Kassel, Heute THYSSEN FORSCHUNGSZENTRUM für Fertigungstechnik u. Erzeugnisuntersuchung,
Kassel), [4] des Prospektes 11/76 1000 D.
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Markogiannopoulos, G. Ach.: Dynamische Untersuchungen an Rigiflex-Kupplungen.
Unveröffentlichter Bericht Nr. 75-23.01, 26.1.1976 vom RHEINSTAHL FORSCHUNGS-ZENTRUM,
Kassel, (heute THYSSEN FORSCHUNGSZENTRUM für Fertigungstechnik und Erzeugnisuntersuchung,
Kassel), [5) des Prospektes 11/76 1000 D.
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momenten im Reibschluß am Laschenkopf ist die Entstehung von Reibkorrosion.
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Die vorliegende Erfindung betrifft neue konstruktive Gestaltungsformen,
die aus dieser Erkenntnis heraus entwickelt wurden, um die geschilderten Nachteile
der bisherigen Ausführungen zu vermeiden. Die Nachteile der bisherigen Ausführung
sollen erfindungsgemäß zum einen dadurch behoben werden, daß die Laschen nicht symmetrisch
um ihre Längsachse ausgebildet sind, sondern derart, daß die Resultierende aller
Kräfte je Flächeneinheit im Querschnitt in Laschenmitte durch die Bolzenmitten geht,
beispielsweise dadurch bewirkt, daß die Laschen außen eine größere Dehnlänge aufweisen
als innen. In diesem Falle führen die größeren Druck- oder Zugverformungen außen
praktisch nicht zu größeren Spannungen, sondem zu etwa den gleichen Spannungen,wie
sie unter den kleineren Verformungen am Innenrand der Lasche auftreten. In- Bild
3 wird gleichzeitig eine zweite Verbesserungsmöglichkeit dargestellt, die erfindungsgemäß
darin besteht, daß die den Kräften zwischen Bolzen und Laschen überlagerten Drehmomente
um die Bolzenachse nicht durch Reibschluß aufgenommen werden, sondern durch einen
Formschluß. Dieser kann beispielsweise dadurch erzielt werden, daß, wie in Bild
3 dargestellt, die Laschen an ihren Enden nicht über jeweils einen Bolzen belastet
werden, sondem beispielsweise über jeweils zwei oder mehr Paßschrauben, die möglicherweise
auf einer Diametralen mit unterschiedlichem Radius an den Flanschen angeordnet sind.
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Bei der Ausführung nach Bild 3 wurde sicherheitshalber von beiden
erfindungsgemäßen Verbesserungen Gebrauch gemacht. (Die in Bild 3 dargestellten
Elemente sind im Prinzip die gleichen wie in Bild 1, allerdings sind die Laschenpaare
12' - 12" und 21' - 21" unsymmetrisch um ihre Längsachse ausgeführt und anstelle
der um 90°versetzten Bolzen, die in Bild 1 mit 11', 22', 11" und 22" abwechselnd
in den Kupplungshälften 1 und 2 befestigt sind, sind erfindungsgemäß je zwei Paßschrauben
lii' + 1 pa', 22i' + 22a', 11i" + 11a" und 22i" + 22a" angeordnet; die Scheiben
15 sind Deckscheiben, die die Vorspannungskräfte für den Reibschluß gleichmäßiger
von den Schraubenköpfen auf die Laschen übertragen sollen; ihnen entsprechen Unterlegscheiben
zwischen den Laschen, zwischen den Laschen und den Flanschen, anstelle von runden
Scheibenringen (13), wie sie als Unterlegscheiben bei den einfachen Bolzen nach
Bild 1 üblich sind.
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Eine formschlüssige Drehmomentaufnahme durch drei Paßschrauben, wie
in Bild 4 gezeigt, stellt eine andere Ausführungsform dar. Auch hier würde man zwischen
den Köpfen (oder Muttern) der Paßsckrauben 16, 17 und 18 und den Laschen druckausgleichende
Deckscheiben 19 anordnen und ebenso Unterlegscheiben in vorzugsweise gleicher Größe
wie die Deckscheiben 19 (und deshalb nicht in diesem Achsenschnitt darstellbar).
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Eine andere Möglichkeit zur formschlüssigen Aufnahme von Drehmomenten
am Laschenende ist der Ersatz der runden Bolzen nach Bild 1 durch Paßschrauben mit
einem polygonförmigen K-Profil nach Bild 5. Die Laschen müssen dann entsprechende,
polygonförmig gestanzte Löcher aufweisen und die Flansche müssen vorzugsweise durch
Räumen eben solche polygonförmige-K-Profil-Löcher zur formschlüssig-drehfesten Aufnahme
der Paßschrauben erhalten, falls die Paßschrauben in den Flanschen nicht auf andere
Weise formschlüssig verdrehsicher festgehalten werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur formschlüssigen Aufnahme von Momenten
am Laschenende ist die Anordnung von mehreren Paßschrauben 31 bzw. 42 jeweils an
den Köpfen der in Bild 6 dargestellten Laschen. Die Paßschrauben 31, die in Draufsicht
auf die Schraubenköpfe dargestellt sind, verbinden dann die Laschen 32' mit dem
unter der Zeichenebene liegenden (nicht gezeichneten) Flansch 1, während die Paßschrauben
42 die Laschen 32' mit dem über der Zeichenebene zu denkenden Flansch 2 verbinden.
Entsprechendes gilt für die Laschen oder Laschenpakete 41' - 41".
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich die formschlüssige Aufnahme
von Drehmomenten um die Bolzenachse und die Verringerung dieser verformungsbedingten
Drehmomente durch unsymmetrische Gestaltung der Laschen lassen sich auch einzeln
oder gemeinsam anwenden, wenn zwischen den Bolzen oder Paßschrauben der beiden Kupplungshälften
nicht zwei Paare von Laschen, sondern drei Paare von Laschen nach Bild 7a in einer
bisherigen Art und nach Bild 7b in erfindungsgemäß verbesserter Art angeordnet sind.
Es werden dann jeweils drei Laschen oder Laschenpakete in an sich bekannter Weise
in einer Ebene angeordnet und die dazwischen liegenden Laschen bzw. Laschenpakete
in einer zweiten Ebene.
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Bildet man die Laschen erfindungsgemäß unsymmetrisch zu ihrer Längsachse
nach Bild 8 a aus, dann können die beiden Paßschrauben auf je einem Sektor einer
Kupplungshälfte, z. B. die Paßschrauben 72, zur formschlüssigen Drehmomentaufnahme
am Laschenkopf auf gleichem Radius auf dem in Bild 8b rechts oben liegenden Sektor
der Kupplungshälfte 71 angeordnet werden. Gegenüber der Laschenausbildung nach Bild
7b hat diese Laschenform zwar u. U.
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den Nachteil höherer einmaliger Kosten für das Stanzwerkzeug, aber
sie hat den sehr großen Vorteil der größeren Biegelänge und damit der größeren Beugefähigkeit
des Kupplungsgelenkes.
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Auch können die beiden Kupplungshälften relativ zueinander in wesentlich
besserem Maße axial elastisch nachgeben.
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Bei der bekannten Ausführung nach Bild 7a haben die Laschen von Augenmitte
zu Augenmitte nur eine verhältnismäßig kurze Länge (die gleich dem Bolzenkreis-Halbmesser
ist). Die Laschen bringen deshalb einer Beugung eines im wesentlichen aus den beiden
Kupplungshälften,
den Bolzen und den Laschen, bestehenden Wellengelenks
eine relativ hohe Steifigkeit entgegen (relativ im Vergleich zur Anordnung nach
Bild 1), denn die elastische Nachgiebigkeit von solchen Laschen ist verhältnisgleich
dem Quadrat der freien Länge. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung nach Bild 7b
ist für eine etwa gleiche Kupplungsgröße und gleiche drehmomentübertragende Kapazität
die mittlere freie Länge der Laschen bereits etwas größer als bet der bekannten
Ausführung nach Bild 7a. Aber eine wesentiiche Verringerung der Biegesteifigkeit
und damit der Fähigkeit zu elastischer Beugung im Gelenk und zu axialer Federung
zwischen den Kupplungshälften eines Gelenks bringt die erfindungsgemäße Ausführung
nach Bild 8. Die freie Länge der Laschen ist bei der erfindungsgemäßen Ausführung
nach Bild 8 etwa ebenso groß wie nach der erfindungsgemäßen Ausführung nach Bild
3. Die Ausführung nach Bild 8 hat aber gegenüber der Ausführung nach Bild 3 den
zusätzlichen Vorteil, daß sie nicht den aus dem Schrifttum bekannten Kardanfehler
(siehe Fußnote 2) der Ausführung nach Bild 1 aufweist (wegen der 3x 1200-Teilung
auf einer Kupplungshälfte, anstelle einer 2x 180°-Teilung auf einer Kupplungshälfte
nach Bild 1).
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Vorteile dieser Anordnung nach Bild 8 bestehen also darin, daß jede
Kupplungshälfte 6 aktiv an der Drehmomentübertragung beteiligte Bolzen auf einem
Umfang aufweist, d. h. daß der Umfang auf einem Bolzenmittenkreis und damit der
zur Verfügung stehende Wirkraum mit insgesamt 12 Bolzen gut ausgenutzt ist und daß
die Laschen, die nach Bild 7a von 3 Bolzen einer Kupplungshälfte ausgehen und abwechselnd
zug- und druckbeansprucht werden, durch die Aufspaltung der Bolzen in Paßschraubenpaare
jeweils länger werden und sich im Optimum (bei 12 etwa gleichmäßig am Umfang angeordneten,
je zur Hälfte in 3 Sektoren einer Kupplungshälfte befestigten Paßschrauben über
einen Winkelbereich von bald 1200 erstrecken.
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Die Laschen haben von Außenaugenmitte bis Außenaugenmitte eine Länge
von
mit r als Halbmesser des Bolzenmittenkreises, also etwa ebenso wie die Laschen nach
Bild 1.
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Die in Bild 8b gezeigten Deckscheiben 77 können auch symmetrisch zu
einer Mittellinie durch die beiden Bolzenaugen in einem Kupplungsflanschsektor ausgeführt
werden, allerdings sind dann Unterlegscheiben zwischen Deckscheiben 77 und Laschen
74 erforderlich. Ebenso sind in der Zeichnung erkennbare Unterlegscheiben zwischen
den Laschen bzw. den Laschenpaketen der einen Ebene (74) und in der anderen Ebene
(75) erforderlich. Weiterhin sind Unterlegscheiben zwischen den Laschen bzw. Laschenpaketen
75 und den Flanschsektoren 71 erforderlich. Diese Unterlegscheiben können, wie -----
dargestellt, Kreisringscheiben um die Paßschraubenachse sein aber auch im Prinzip
die gleiche Form wie die Deckscheiben der in Bild 8b gezeigten Form haben.
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In Bild 9a ist schließlich noch gezeigt, daß sich die erfindungsgemäße
Verringerung der Momente um die Bolzenachse auch anwenden läßt, wenn nach Bild 9b
die Laschen zwischen
den Bolzen in an sich bekannter Weise zu einem
umlaufenden Kreisring vereinigt werden.
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Auch hierbei wird vorgeschlagen durch entsprechende erfindungsgemäße
Variation der Ringbegrenzung zwischen den Bolzen (aufgrund von Spannungsmessungen
oder Berechnungen mit Finiten Elementen) eine solche Gestalt zu finden, daß die
bei der Drehmomentübertragung von den einzelnen Bolzen ausgeübten resultierenden
Kräfte in Umfangsrichtung (
) durch die Bolzenachsen gehen und nicht wie bei der Ausführung nach Bild 9b einen
Abstand von der Bolzenachse haben.
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