DE2725289C2

DE2725289C2 - Drehsteife, elastisch beugefähige Wellenkupplung

Info

Publication number: DE2725289C2
Application number: DE19772725289
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Federn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-06-02
Filing date: 1977-06-02
Publication date: 1985-08-22
Also published as: DE2725289A1

Description

In allen Fällen, in welchen irr: Prinzip koaxiale Wellen miteinander gekuppelt werden müssen, müssen beugefähige, als Gelenk wirkende Kupplungen eingesetzt werden, sobald die Wellen nicht mit ,höchster Genauigkeil bei der Montage ausgerichtet werden können oder sich durch unterschiedliche Temperatu^r"'iflüsse od. dgl. aus der exakt fluchtenden Lage hc-.us verändern. 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? eichung einer Wellenachse gegenüber der anderen lenachse 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 oder Hohlwelle mil Flanschen zu verbinden sind.

Die Erfindung betrifft solche beugefähigen Kupplungen als Einzelgelenke oder Gelenke einer Gelenkwelle mit Drehmomentübertragung durch eine gerade Anzahl von in einem regelmäßigen Vieleck zwischen Bolzen oder Bolzengruppen in beiden Kupplungshälften angeordneten Laschen oder Laschenpaketen oder Ringlamellensegmenten, soweit ihre biegenachgiebigen Elemente im elastischen Bereich beansprucht werden, so-

weil diese die elastische Beugung im Gelenk zwischen den beiden Kupplungshälften ermöglichenden Elemente metallische Fcderelemente oder ihnen gleichwertige Federclemente, wie z. B. Federelemente aus glasfaserverstärkten Kunststoffen, sind und soweit die beugeelamischen Metallkupplungen 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 «.inqcnetzt, insbesondere in der Form von Gelenkwellen mit zwei solchen Kupplungen. Gegenüber den hierfür auch eingesetzten bekannten Bogenzahnkupplungen haben sie den Vorteil der Verschleißfreiheit und Wartungsfreiheit und gegenüber den starren Kupplungen, wie sie der Großturbir.enbau heute noch benötigt den Vorteil, daß sie den Ausgleich von Fluchtungsfehlern ohne großen Zwang ermöglichen. Daß die durch solche Zwänge entstehenden Querkräfle und Biegemom°nte besonders gefährlich sind, gehl schon daraus hervor, daß Biegemcmenie in der Materialprüfung in sogenannten Umlaufbicgemaschinen zur Erzeugung von Biege-Dauerbrüchen in umlaufenden Wellen ausgenutzt werden.

Die erwähnten drehstarren beugeeiaslischen Metallkupplungcn bestehen aus zwei sich in Achsenrichtung gegenüberstehenden Kupplungshälften, an deren Flanschen jeweils zwei Bolzen oder auch Bolzengruppen diametral, vorzugsweise in Paßbohrungen angeordnet sind (DE-PS 8 51 432). Alle im unbelasteten Zustand unter genau 90° Zwischenwinkel zueinander angeordneten Bolzen sind dabei durch gleichlange Laschen oder Laschenpakete oder Segmente einer Ringlamelle oder eines Ringlamellenpaketes miteinander verbunden.

Werden mit einem Bolzen oder einer Bolzengruppe gleichzeitig in Umfangsrichtung im Zeigersinn und im Gegenzeigersinn weisende Laschen befestigt, dann müssen diese Laschen in benachbarten achsensenkrechten Ebenen ar^eordnet sein. Befestigen die Bolzen oder Bolzengruppen nur jeweils eine Lasche, dann können in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Laschen in derselben achsensenkrechten Radialebene angeordnet sein.

Bei derartigen Mctallkupplungcn ist bekannt, daß sich der durch das Anziehen der Mullern erzielte Reibschluß /wischen Kupplungsflansch. ' inicrlcgschcibcn und Laschen im Laufe der Betriebs/cit locken 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 eine kürzere Dehnlänge zur Wirkung als in den letzteren; die zugbeanspruchten Laschen haben also eine geringe Längssteifigkeit und nehmen deshalb nur weniger an der Last übertragung teil als die druckbeanspruchten.

Schließlich ist bekannt, daß Laschen oder Ringlamellen-Segmente in der dauerfest ertragenen Wechsel-Biegung verbessert werden, wenn sie nach der Mitte zu in ihrer Breite verjüngt werden, oder anders, in bekannter Art ausgedrückt, tailliert werden.

Nicht beachtet wurde allerdings bisher, daß sich die Bolzen bei einer beanspruchungsgemäßen Dehnung der gezogenen Laschen und einer Verkürzung der mit Druckkräften belasteten Laschen relativ zueinander nur um den gemeinsamen Drehpunkt auf der Kupplungsachsc bewegen können. Deshalb müssen die unter den Bolzen durch Reibschluß gehaltenen Laschenköpfe sich bei Drehmomentübertragung ebenfalls relativ zueinander drehen, venn auch nur geringfügig, so daß die laschen hochkant, also in ihrer Ebene gebogen werden und demzufolge außen höher beansprucht werden als ■5 innen. (Die Dehnlängen der Laschen sind bei den heute eingesetzten Kupplungen dieser An mit symmetrisch /u ihrer Längsachse ausgebildeten Laschen 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 geht demnach bei bisherigen Ausführungen 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.) 1st dieses Drehmoment nicht zeitlich gleichbleibend, .mdern ist wie häufig der Fall, ein schwingendes fviomeiit oder sioBartiges Moment überlagert, dann treten diese Momente im Reibschluß um die Bolzenachse schwingend oder stoßartig auf und führen, wie aus der Schraubenprüfung bekannt i Λ. zum Lockern des Reibschlusses unter der Mutter. Daß sich der Reibschluß im Laufe der Betriebszeil bei den beschriebenen Kupplungen lockert, ist bekannt nicht bekannt war jedoch bisher diese Ursache. Ein weiterer festigkeitsmindernder Nachteil von solchen wechselnden oder stoßartigen Drehmomenten im Reibschluß am Laschenkopf ist die Entstehung von Reibkorrosion.

Der vorstehend beschriebene physikalische Hintergrund wird anhand des in der Bildern la und \b dargestellten Ausführungsbeispiels einer nicht erfindungsgeffiäß gestalteten Wellenkupplung mit vier Lascher. 12', 12", 2Γ, 21", die mit runden Spannscheiben, z. B. 13". und je einem Bolzen, z. B. 11", sowie Mutter, z. B. 14''. an der jeweiligen Kupplungshälfte, z. B. 1. befestigt sind, verdeutlicht

Wird von der Kupplungshälftc l.die mit ihrer Buchse auf dem Wellenzapfen 01 einer Antriebswelle angeordnet ist. ein Drehmoment gegen den Uhr/cigvrsinn in Bild la auf die Kupplungshälfle 2 übertragen, so wcr-4^r, den von den Bolzen 1 Γ und 11" teilweise durch Lochleibungsdruck (Flächenpressung auf dem halben Bolzenumfang) und teilweise durch Reibschluß Druckkräfte auf die Lasche 12' und 12" ausgeübt Diese Druckkräfte in der Lasche 12' und 12" werden ihrerseits von den in Bild la im Schnitt dargestellten Bolzen 22' und 22" durch Lochleibungsdruck oder zunächst, vor Versagen des Reibschlusses, überwiegend durch Reibschluß in der Ve'binJuig aufgenommen. Ebenso wie die Laschen 12' und 12" auf Druck beansprucht werden, sobald auf die Bolzen 1Γ und 11" aui der x-x-Achse ein linksdrehendes Drehmoment vom Wellenzapfen 01 über die Kupplungshälfte 1 ausgeübt wird, so werden die Laschen 21' und 21" aufZug beansprucht.

Aufgrund dieser Beanspruchung unterliegen die gedrückten Laschen 12' und 12" einer Verkürzung, die gezogenen Laschen 21' und 21" einer Dehnung. Ba sich die Bolzen 11', 11", 22', 22" nur um den gemeinsamen Drehpunkt 0 bewegen können, wird unter dem Einfluß der genannten Formänderungen die Querachse x-x in die Lage χ*-x* und die Querachse y-y in die L&gc y"-y* verlagert, wie dies in Bild la für etwa 50fach vergrößerte Formänderung dargestellt ist. Die unter den Bolzen 11', 11", 22', 22" gehaltenen Laschenköpfe müssen

sich daher ebenfalls drehen, so daß die Laschen 12', 12", 21', 21" hochkant gebogen und demzufolge außen höher beansprucht werden als innen. Da die Resultierende aller Kräfte je Flächeneinheit in Laschenmitte (in Bild la durch Pfeile in der Lasche 12'dargestellt) nicht mehr durch die Bolzenmitten verläuft, wird bei belasteter Kupplung der Reibschluß zwischen der Bolzen-Mutter-Verbindung, z.B. 11" und 14", sowie den Laschen 12" und 2Γ zusätzlich durch Momente beansprucht, was zum Auftreten der erwähnten Nachteile führt.

Die vorliegende Erfindung betrifft neue konstruktive Gestaltungsformen, die aus dieser Erkenntnis heraus entwickelt wurden und die Aufgabe erfüllen sollen, eine gleichmäßige Beanspruchung der Laschen im radial inneren und radial äußeren Begrenzungsbereich zu erreichen, sowie eine Lockerung der Laschenbefestigung und Reibkorrosion an den Befestigungsstellen der Laschen zu vermeiden. Die priipdi'ngsgemhße Lösune besteht im Prinzip darin, daß die Laschen unsymmetrisch zu ihrer Längsachse ausgebildet sind, so daß die Resulticrendc aller Kräfte je Flächeneinheit im Querschnitt in Laschenniiiic durch die Bolzcnmitten geht. Dies kann erfindungsgemäß auch prinzipiell dadurch bewirkt werden, daß die mit unrunden Spannscheiben befestigten Laschen außen eine größere Dchnlänge aufweisen als innen. Dabei führen die größeren Druck- oder Zugverformungen außen praktisch nicht zu größeren Spannungen, sondern zu etwa den gleichen, wie sie unter den kleineren Verformungen am Lascheninnenrand auftreten.

In der Zeichnung sind neben den Bildern la und Ib, die eine nicht erfindungsgemäße Bauform zeigen, sechs Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

B i 1 d 2 und 3 Wellenkupplungen mit an den Laschenenden angeordneten unrunden, von zwei bzw. drei BoI-zen durchdrungenen Spannscheiben,

Bild 4 eine Wellenkupplung mit im Schaftquerschnitt polygonförmigen Paßschrauben.

B i I d 5 eine Wellenkupplung mit sechs zwischen unrunden .Spannscheiben befestigten Laschen,

Bild 6 und 7 Wellenkupplungen mit zu Ringlamellen vereinigten Laschen, die zwischen den ßcfcstigungsstcllen im Qucrschnill vermindert sind.

Hei der Ausführung nach B i I d 2 ermöglicht der Obergang /u unrunden Unterlegscheiben 214 und ebenso begrenzten Spannscheiben 215 unter den Muttern auf den Bolzen lla'. 11/', 11a". 11/".22a', 22/', 22a", 22/" eine erfindungsgemäße Anpassung der Dehnlängen der inneren und der äußeren Kontur nach Anspruch 2. Dadurch wird auch bsi symmetrischer Bemessung der Laschenbreite in der Mitte (symmetrisch zur Verbindungslinie der Schwerpunkte der Bolzengruppen) die erfindungsgemäß gestellte Aufgabe gelöst, nämlich eine Kraftresultierende aller Tangentialspannungen in Laschenmitte jeweils in der gerade genannten Schwerpunkts-Verbindungslinie. Derartige unrunde Unterlegscheiben, die eine Gestaltung nach Anspruch 2 ermöglichen, sind auch bei der Anordnung von drei Bolzen 16, 17,18 am jeweiligen Laschenende nach B i 1 d 3 grundsätzlich möglich, nicht aber ohne weiteres bei der An- ί>ο Ordnung nach Bild I. weil ihre I.age um die Bolzenachsc nicht gesichert wäre.

Die Scheiben 215 in Bild 2 sind ebenso wie die unrunden Scheiben 19 in Bild 3 Spannscheiben, die die Vorspannungskräfic für den Reibschluß gleichmäßiger b5 von den Schraubenköpfen auf die Laschen übertragen sollen: ihnen entsprechen Unterlegscheiben zwischen den Laschen, zwischen den Laschen und den Flanschen, anstelle von runden Scheibenringen, wie sie als Unterlegscheiben 13" bei den einfachen Bolzen nach Bild Ib üblich sind. Erst ihre unrundc Kontur ermöglicht die erfindungsgemäße Ausführung nach Anspruch 2.

Eine Drehmomentaufnahme durch drei Paßschrauben 16,17, 18, wie in B i 1 d 3 gezeigt, stellt eine andere an sich ebenfalls bekannte Ausführungsform dar. Auch hier würde man zwischen den Köpfen (oder Muttern) der Paßschrauben 16,17 und 18 und den Laschen 312', 321" druckausgleichende Spannscheiben 19 anordnen und ebenso Unterlegscheiben in vorzugsweise gleicher Größe wie die Spannscheiben 19 (und deshalb nicht in diesem Achsenschnitt darstellbar). Auch sie ermöglichen die erfindungsgemäße Ausbildung der Laschen nach Anspruch 2.

Eine weitere Möglichkeit zur erfindungsgemäßen Gestaltung der Laschen 412', 421' ist der Ersatz der runden Bolzen nach Bild 1 durch Paßschrauben 41Γ, 422' mit einem polygonförmigen K-Profil nach Bild 4. Die Laschen 412', 42Γ müssen dann entsprechende, polygonförmig gestanzte Löcher aufweisen und die F-'lanschc müssen vorzugsweise durch Räumen eben solche polygonförmige K-Profil-Löcher zur formschlüssigdrchfcstcn Aufnahme der Paßschrauben 411', 422' erhalten, falls die Paßschrauben in den Flanschen nicht au( andere Weise formschlüssig verdrehsicher festgehalten werden, ^uch hier können Spannscheiben und Deckscheiben derart unrund ausgebildet werden, daß sie eine Laschenausbildung nach Anspruch 2 ermöglichen.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen, nämlich Verringerung oder Eliminierung von verformungsbedingten Drehmomenten in der Einspannung durch unsymmetrische Gestaltung der Laschen lassen sich auch anwenden, wenn zwischen den Bolzen oder Paßschrauben der beiden Kupplungshälften nicht zwei Paare von Laschen, sondern drei Paare von Laschen 512', Bild 5. in erfindungsgemäß nach Anspruch 2 verbesserter Art angeordnet sind. Es werden dann jeweils drei Laschen 512' oder Laschenpakete in an sich bekannter Weise in einer Ebene angeordnet und die dazwischenliegenden Laschen bzw. Laschenpakctc in einer zwc'^lr>o Ebene.

Die erfindungsgemäße Verringerung der Momente um die Bolzenachsc läßt sich auch anwenden, wenn nach Bild b oder 7 die Laschen /wischen den Bolzen 61Γ, 611", 61Γ" bzw. 71Γ in an sich bekannter Weise zu einer umlaufenden Ringlamcllc 612 bzw. 712 vereinigt werden. Auch hierbei wird vorgeschlagen, durch entsprechende erfindungsgemäße Variation der Ringbegrenzung zwischen den Bolzen (aufgrund von Spannungsmessungen oder Berechnungen mit F^:mter Elementen) eine solche Gestalt zu finden, daß ie bei der Drehmomentübertragung von den einzelnen Bolzen ausgeübten resultierenden Kräfte 600 bzw. 700 in Umfangsrichtung (**) durch die Bolzenachsen 611' bzw. 711' gehen. Da hier in Ausführung nach B i I d 6 und 7 wiederum runde Spannscheiben verwendet v/erden, ist keine Ausführung nach Anspruch 2 möglich, nur eine nach Anspruch 1 mit unsymmetrischer Ausbildung der zwischen den Bolzenachsen verlaufenden Lamellenabschnitte im Hinblick auf die Verbindungslinie von BoI-zenmittcn.

Hierzu b Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehsteife, elastisch beugefähipe Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen, bestehend aus zwei Kupplungshälften, die zur drehsteifen Drehmomentübertragung durch gleichmäßig am Umfang verteilte tangential verlaufende, blattfederartig federnde Laschen, deren Querschnittsfläche sich zur Mitte hin verjüngt, miteinander verbunden sind, wobei die Laschen unsymmetrisch zu einer tangentialen Längsachse ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Laschen derart unsymmetrisch zu ihrer durch die Achsen der Befestigdngsbolzen oder axialen Schwerlinien von Paßbolzengruppen an den Laschenenden verlaufenden tangentialen Längsachse ausgebildet werden, daß die Resultierende aller je Flächeneinheit in Laschenmitte übertragenen Kräfte in der tangentialen Längsachse der Lssshe verläuft.

2. Drehsteife, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen, bestehend aus zwei Kupplungshälften, die zur drehsteifen Drehmomentübertragung durch gleichmäßig am Umfang verteilte tangential verlaufende, blattfederartig federnde Laschen, deres. Querschnittsfläche sich zur Mitte hin verjüngt, miteinander verbunden sind, wobei die Laschen mit Schraubenbolzen und mit unrund ausgebildeten Spannbeilagen an den Kupplungshälften befesiigt sind und wobei die Schraubenbolzen jeweils zur gemeinsamen Befestigung von in Umfang? richtur._o benachbarten Laschen dienen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dehnungslänge im radial äußeren B reich der Laschen (z.B. 212', 212", 221' und 221" in Bild 2) derart größer ist als die Dehnungsiänge im radial inneren Bereich der Laschen, daß die Resultierende aller je Flächeneinheit in Laschenmitte übertragenen Kräfte möglichst nahe bei den Achsen der Befestigungsbolzen oder axialen Schwerlinien von Schraubenbolzengruppen (z.B. 11a', ll/'-lla". ll/"-22a', 22/'—22a". 22;" in Bild 2) an den Laschenendeu verläuft.

3. Drehstei^fe, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Laschen (z. B. 412' und 421') an den Kupplungshälften durch je einen unrunden, beispielsweise polygonartig im Querschnitt begrenzten Bolzen (z. B. 411' und 422' für Lasche 412') in passenden Laschenaugen befestigt werden, derart, daß nicht nur Längszugkräfte oder -druckkräfte in den Laschen form- und reibschlüssig aufgenommen werden, sondern auch am Laschenende um die Laschenaugen wirkende Drehmomente um die Bolzenachse, wobei in Umfangsrichtung aufeinanderfolgende Bolzen jeweils abwechselnd drehsteif-formschlüssig in einer der beiden Kupplungshälften befestigt werden.

4. Drehsteife. elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laschen an den Kupplungshälften durch mindestens zwei Paßschrauben (z.B. 11a' und 11/' in Bild 2 oder 16, 17, 18 in B i 1 d 3) oder eine Kombination von Paßschrauben und Stiften an jedem, einer Kupplungshälfte zugehörigen Laschenende form- und reibschlüssig hinsichtlich der in den Laschen übertragenden Umfangskräfte und form- und reib-

schlüssig hinsichtlich am Laschenende wirkenden Drehmomenten um die Kupplungslängsachse befestigt werden.

5. Drehsteife, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei oder mehr Paßschrauben (z. B. 22a' und 22/' in Bild 2) die zur lorm- und reibschlüssigen Befestigung hinsichtlich Kräften und Kräftepaaren in der Laschenebene einer sich in einer Umfangsrichtung erstrekkenden Druck- oder Zug-Lasche (z. B. 212' in Bild 2) auch zur Befestigung der in der anderen Umfangsrichtung sich erstreckenden Zug- oder Druck-Lasche (z. B. 221' in B i 1 d 2) verwendet werden.

6. Drehsteife, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen, bestehend aus zwei Kupplungshälften und einem zur d; ehsteifen Drehmomentübertragung zwischen den Kupplungshälften angeordneten Ringlamellenpaket mit am Umfang gleichmäßig verteilten Augen für Bcfe· stigungsbolzen. die abwechselnd je einer Kupplungshälfte zugeordnet sind und die Belastung durch Lochleibungsdruck und Reibschluß übertragen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringismellen zwischen den Augen derart unsymmetrisch zu einer zwei benachbarte Augenmitten verbindenden Geraden ausgebildet werden, daß die im Ringquerschniit in der Mitte zwischen zwei Augen wirkenden resultierenden Kräfte (600) in Umfangsrichtung durch die Bolzenachse (611') gehen.