DE2741652C2

DE2741652C2 - Drehsteife, elastisch beugefähige Wellenkupplung

Info

Publication number: DE2741652C2
Application number: DE19772741652
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr.-Ing. 1000 Berlin Federn
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-09-13
Filing date: 1977-09-13
Publication date: 1985-03-21
Also published as: DE2741652A1

Description

74 35 748). Hierbei ist aber der Nachteil des geringeren Hebelarmes an der Schraubenbefestigung am Inncnrand bei dieser Ausführung nicht erkannt und demzufolge auch nicht behoben worden.

Es ist auch bekannt, die Membranen am konzentrischen Innenrand und AuBcnrand nicht durch Schrauben oder Nieten zu befestigen, sondern durch Kleben (DD-PS 35 561). Bei Klebeverbindungen ist es möglich, Drehmomente zu beiden Seiten des Innenrandes zu übertragen, um die Nachteile des hier gegenüber dem Außenrand kleineren Hebelarmes um die Drehachse und des kleineren Umfangs auszugleichen. Abgesehen davon, daß sich durch Kleben nur verhältnismäßig geringe Drehmomente übertragen lassen, hat die zuletzt genannte Ausführung auch den Nachteil, daß die Weiterleitung des Drehmomentes vosi der einen Membranenseile zu dem das Drehmoment von der anderen Mcnibranenseite aufnehmenden Zwischenring durch eine Klebung auf noch kleinerem Radius erfolgt, also ungünstiger als bei der Klebung im inneren Einspannbereich der membranen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde·, die Drehmomentübertragung an der Einspannung des Innenrundes der Membranen zu erhöhen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im Prinzip dadurch gelöst, daß in die Membran oder die Membranen am Innenrand nicht nur ein Drehmoment über Reibschluß und/oder gegebenenfalls über Formschluß von der einer Kupplungshälfie zugewandten Seite übertragen wird, sondern auch von der abgewandten Seile, indem über drehstarre Verbindungsglieder und über Mitnehmer durch geeignete Ausschnitte der Membranen ein Teil des Drehmomentes auf die abgewandte Seite der Membranen weitcrgcleiiet wird. Der Übertritt des Drehmomenteserfolgt gegenüber der /.uletzt genannten bekannten Klebelösung somit in verhältnismäßig großer Entfernung von der Kupplungsdrehachse.alsoaneincrStellc.wodie Kräfte mühelos mit einfachen Mitteln übertragen werden können.

Mit diesem erfindungsgemäßen Lösungsprinzip ist zugleich oie Voraussetzung geschaffen, um bei Bedarf die Verhältnisse an der Einspannung des Innenrandes der Membran oder der Membranen weiter zu verbessern. Hierzu gibt es zwei Möglichkeilen:

A. Die eine Möglichkeil ist im Anspruch 2 gekennzeichnet. Mit dieser Ausführung wird erreicht, d;iO am Innenrand der Membran die Zahl der drehmoment-übertragenden Reibflächen erhöh; wird (nach Art einer »Mehrschnittigkeit« der die Einspannkraft bewirkenden Elemente).

B. Die zweite Möglichkeit ist im Anspruch 3 gekennzeichnet. Durch diese Bauweise wird am !nnenrand der Membran eine zusätzliche Einspannkraft erzeugt, /weeks Erhöhung der durch Einspannelemenlc (Schrauben) erzielbaren Einspannkraft.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispicle der Erfindung dargestellt und nachfolgend näher erläutert. Es zeigt

Bild la eine im Längsschnitt teilweise gezeichnete Wellenkupplung mit Membranen, an deren Innenrand beidseitig Hilfsscheiben angreifen, welche mit der inneren Kupplungshälfte verbunden sind, als erstes Ausführungsbeispiel,

Bild Ib einen Tcilqucrschniit der vergrößert darge ■ stellten Kupplung entlang Linie A-BIn Bild hi.

Bild 2 im Teillängs.vchniu als zweites Ausführungsbeispiel eine Wellenkupplung mit Membranen, die am Innenrand mit einer Scheibe festgespannt sind, und

B i 1 d 3 einen Teilquerschnitt der geringfügig abgewandelten Kupplung entlang Linie A-B in Bild 2.

Bild la und b demonstriert die erfindungsgemäße Ausbildung der Einspannung am Innenrand unter Ausnutzung der Möglichkeit A. Auf ein Wellenende 1 ist eine Kupplungsnabe 2 mit einem umlaufenden Kupplungsflansch in bekannter Weise aufgeschrumpft. Am Kupplungsflansch sind am Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilte Schraubenbolzen 3 angeordnet, die, durch Ausschnitte in zwei Membranen 41 und 42 hindurchgesteckt, das Drehmoment auf Hilfsscheiben 51,52 und 53 zu beiden Seiten der beugefähigen Membranen und möglicherweise auch zwischen den Membranen 41 und 42 übertragen.

Von den Hilfsmembranen wird das Drehmoment zum inneren Einspannrand der Membranen 41 und 42 von mindestens zwei Seiten aus weitergeleitet und dort mittels Schrauben, Paßschrauben 6 oder Nieten übertragen. Zur gleichmäßigeren Verteil·/.,* der Flächenpressung im Wirkraum der Einspannung am rviernbraninnenrand sind unter Kopf und Mutter der Schrauben 6 umlaufende Ringe 71 und 72 angeordnet Die Muttern können am gesamten Umfang innen zu einem Ring 73 mit Oewindebohrungen zusammengefaßt sein. Zwischen den Membranen 41 und 42 sowie den Hilfsscheiben 51—53 sind Abstandsringe 74 erforderlich, damit die Membranen und Hilfsscheiben sich nicht außerhalb der Einspannung berühren, sobald bei der Beugung ei-

jo nes Gelenkes sich die Membranflächen zwischen den Einspannungen biegen.

Im Bereich der Bolzen 3 sind zwischen dem Flansch 2 und der Hilfsscheibe 51 bzw. zwischen der Gewinderingscheibe 8 und der Hilfsscheibe 52 vorzugsweise umlaufende Zwischenringe 91 und 92 angeordnet, während zwischen den Hilfsscheiben einzelne Unterlegscheiben 31 und 32 angeordnet sind, die mit einem Spiel in die Ausschnitte in den Membranen 41 und 42 pas^n. Die Membranen 41 und 42 sind am Außenrand durch einen umlaufenden Zwischenring 10 auf Abstand gehalten. Pußbolzcn 11 verbinden sie mit einer Hülse 12. Unter den Muttern, die zu einem umlaufenden Ring 13 mit Gewindebohrungen zusammengefaßt sein können, ist ein druckverteilender umlaufender Ring 14 angeordnet.

Neben der in Bild la und Bild 1 b gezeigten Ausführung ist auch eine Ausführung möglich, bei der der Außenrand der biegefähigen Membranen 41 und 42 mit der Kupplungshälfte 2 verbunden ist und dafür die Hilfsscheiben wie z. B. 51, 52 und 53 über Elemente, die die

so Ausschnitte in den Membranen durchdringen, mit Flansch und Hülse 12 verbunden werden.

Neben der in Bild la und Bild Ib gezeigten Aiis^füh; jng ist weiterhin auch eine Ausführung herstellbar, bei der zwischen zwei Hilfsscheiben 51 und 52 nur eine Membran 41 angeordnet ist, oder auch zwei Membranen 41 und 42 mit einem wesentlich kleineren Abstand, wie ihn das Weglassen der Hilfsscheibe 52 und ein oder zwei Zwischenringe aus der Gruppe 74 ermöglicht. Hiervon abgesehen sollen sich alle bisherigen Beschreibt) bungen auch auf Ausführungsformen beziehen, bei denen von vornherein Einzelmembranen wie die Membranen 41 und 42 zur Erhöhung der Biegenachgiebigkei: durch Gruppen von direkt oder in geringem Abstand nebeneinander angeordneten dünneren Membranen cr-

t>^r> setzt sind.

In Bild 2 ist eine Ausführung unter Ausnutzung der Möglichkeit B dargestellt, bei der die Hilfsscheibe 51, der Gewindering 73, der linke der Zwischenringe 74 und

der Zwischenring 91 des Bildes I a mil dem Flansch 2 vereinigt sind, so daß sie als besonderes Teil entfallen. Die Welle ragt über das rechte Ende des Flansches 2 hinaus und dient als Zentrierung Für die Membranen 41 und 42 und den Zwischenring 70 des Bildes 2. Die Schrauben 60 können Paßschrauben sein, aber auch als Normalschrauben mit Spiel zwischen Bohrung und Schraubenbolzen ausgeführt sein. Auch der umlaufende Zwischenring 92 des Bildes I a ist mit der benachbarten Gewinderingscheibe 8 des B i I d e s la zur Scheibe 80 des Bildes 2 vereinigt, wobei auch die Scheibe 80 der verlängerten Welle 1 zentriert ist.

Da die Schraubenverbindungen mit den Schrauben 60 das Drehmoment an der inneren Einspannung nach B i I d 2 nur zweischnittig übertragen, ist zur Erzielung eines Reibungsschlusses, der größer ist als ihn die Schrauben 60 erzielen lassen, die Scheibe 80 derart ausgebildet, daß sie beim Anziehen der Schraubenbolzen 3ö durch einen Teüeriedcrefiekt eine axiaic Vorspannkraft auf die Einspannung am inneren Membranrand ausübt. (Vor dem Anziehen der Schrauben 30 ist also ein Spalt zwischen den die Membranenausschnitte durchdringenden und möglicherweise (wie dargestellt) in den Flanschen zentrierten Unterlegscheiben 33 und der Scheibe 80 vorhanden.) «

Die als Hülse ausgebildete rechte Kupplungshälftc 12 des Bildes la (die das Drehmoment zur linken Kupplungshälfte einer zweiten Kupplung überleiten kann), ist in diesem Ausführungsbeispiel nach Bild 2 durch die Kupplungshälftc I5unddie Hülse 16erset/t,dicdiircham jo Umfang angeordnete Schraubenverbindungen 17 verbunden sind, aber auch für Montagezwecke getrennt werdenkönnen.SchnittA-ßin Bild 2siehtauswiedcrin Bild lbdargestelltcSchnittin Bild la.

In dem in Bild la und Bild Ib gezeigten Ausfüh- r> rungsbeispiel sind nur Einzelbogen 3 gezeichnet, die

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JCnClia /-%U33V,IIHIl»v. Ill UWl UlVgVIBIllgl.il iTlviill/initvd τι

und42durchdringen;es ist auch eine Ausführung entsprechend B i I d 3 möglich, bei der Gruppen von parallel wirkenden Schrauben anstelle der Schrauben 3 in einem Ausschnittdurchdrin^end angeordnet werden.Zu diesem Zweck weist die Membrane größere Ausschnitte auf, die jeweils von einer Mehr-Schrauben-Vcrbindung mit Schraubenbolzen 35 durchdrungen werden. Hiervon abgesehen, könnte Bild 2 auch einen Längsschnitt durch diese Ausführungsform darstellen: lediglich die runden Unterlegscheiben mit zentrischem Ansatz 33 sind durch passende Segmente von Kreisringen 36 zu ersetzen, wie sie in Bild 3 dargestellt sind. Auch müßten die Schrauben30im Durchmesserangepaßt werden. so

Bei Ausführungsformen von drehsteifen beugeelastischen Kupplungen muß bekanntlich stets darauf geachtet werden, daß sie unter Ausnutzung der gegebenen axialen Verformbarkeit der Membranen einen Ausbau einer die zwei Kupplungen verbindenden Welle ohne axiale Verrückung eines der drehmomentschlüssig zu verbindenden Rotoren ermöglichen. Die Trcnnstelle zwischen den Elementen 16 und 17 des in Bild 2 dargestellten Ausführungsbeispiels ist dazu in bekannter Weise geeignet (DD-PS 43 671). Bei der Ausführung w nach Bild ia ist eine solche zusätzliche Trcnnstelle nicht erforderlich, es genügt zur Demontage des Teiles IZ wenn die verhältnismäßig wenigen auf größerem Umfang angeordneten und leicht zugänglichen Mitnehmer 3 gelöst und entfernt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Drehsteife, elastisch beugefähige Wellenkupplung, umfassend wenigstens eine das Drehmoment zwischen zwei Kupplungshälften übertragende drehsteife und beugefähige scheibenförmige Membran, die allseits umschlossene Ausschnitte aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem inneren Einspannrand der Membran (41,42) verbundene innere Kupplungshälfte (2) Mitnehmer (3, 30) aufweist, die von der Kupplungsdrehachse weiter entfernt sind als der innere Einspannrand der Membran (41, 42) und deren Ausschnitte berührungsfrei durchgreifen und die über wenigstens ein drehstarres Verbindungsglied (52,53 bzw. 80) mil der von der inneren Kupplungshälfte (2) abgewandten Seite des radial inneren Einspannrandes der Membran (41,42) verbunden sind, und daß der innere Einspann.-and der Membi^ai (41,42) über wenigstens ein drehstarres Verbindungsglied (5t bzw. 70) auf der der inneren Kupplungshälfte (2) zugewandten Seite mit dieser verbunden ist.

2. Wellenkupplung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Membranen (41 und 42) vorgesehen sind sowie wenigstens drei, vorzugsweise als Hilfsscheiben ausgebildete drehstarrc Verbindungsglieder (51,52 und 53), von denen eines (53) zwischen den beiden Membranen, ein weiteres (52) auf der von der inneren Kupplungshälfte (2) abgewandter Seite der zweiten Membran (42) und ein weiteres (51) auf der der inneren Kupplungshälfte (2) zugewandten Seite der ersten Membran (41) angeordnet ist ( B i 1 d I aj.

3. Wellenkupplung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der innere Einspannrand der Membran oder der Membranen (41, 42) /wischen der inneren Kupplungshäifte (2) und dein als .Scheibe (80) ausgebildeten Verbindungsglied eingespannt isi, wobei die Scheibe (80) derart ausgebildet und derart an dem Mitnehmer (30) befestigt ist, daß sie nach Art einer Tellerfeder auf den Innenrand der Membran eine zusätzliche Einspannkraft ausübt (Bild 2).

4. Wellenkupplung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß Muttern von .Schraubenverbindungen am inneren und/oder äußeren F.inspannrand der Membran (41, 42) und/oder von Schraubenbolzen (3), welche die Mitnehmer bilden, zu fliehkraftaufnehmenden Ringen (73, 13,8) zusammengefaßt sind( Bi Id la).

5. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche I bi' »,dadurch gekennzeichnet,daß anstelle von ebenen Einzelmembranen (41, 42) Gruppen von zwei oder mehr parallelen Membranen vorgesehen sind.

6. Verwendung zweier Wellenkupplungen nach Anspruch 2 bei einer Gelenkwelle, wobei die Wellenkupplungen in symmetrischer Anordnung mit einer Zwischenwcllc (z. B. Hülse 12) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwisehenwellc (12) einteilig ausgebildet ist und daß die Membranen (41, 42) der beiden Wellenkupplungen unmittelbar an den Enden der einteilig ausgebildeten Zwischcnwcl-Ie (12) befestigt sind, wobei die gesamte Gelenkwelle durch alleiniges Lösen der mit der inneren Kupplungshälfte (2) verbundenen Mitnehmer (3) ausbaubar ist( Bi Id la).

In allen Fällen, in welchen im Prinzip koaxial umlaufende Wellen zur Übertragung von Drehmomenten 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 während des Betriebes durch unterschiedliche Temperatureinflüsse od. dgl. aus der exakt fluchtenden Lage heraus verändern. 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 Gelenk-.velle durch eine mitumlaufende Hohlwelle oder Hülse zu verbinden sind.

Die Erfindung betrifft solche beugefähigen Kupplungen als Einzelgelenke oder Gelenke einer Gelenkwelle für hohe Drehzahlen und hohe bauvolumenbezogene Leistungen, soweit sie im elastischen Bereich beansprucht v/erden, soweit die die elastische Beugung im Gelenk zwischen den beiden Kupplungshälften ermöglichenden Elemente metallische Federelemente oder ihnen gleichwertige Fedcrelemente, wie z. B. Federclemente aus glasfaserverstärkten Kunststoffen, sind und soweit die bcugcclastischcn Membrankupplungen als praktisch drehstarr gelten dürfen. Solche Kupplungen werden im allgemeinen Maschinenbau und im Eleklromaschinenbau, aber insbesondere im Turbomaschinenbau, beispielsweise zwischen Turbine (als Kraftmaschine) und Kompressor (als Arbeitsmaschine), zur Wellenverbindung eingesetzt, insbesondere in der Form von Gelenkwellen mit zwei solchen Kupplungen. Gegenüber den hierfür auch eingesetzten bekannten Bogcn-

J5 /ahnkupplungcn haben sie den Vorteil der Verschlcißfrcihcil und Wartungsfreiheit und gegenüber den bekannten starren Kupplungen, wie sie der Großturbincnbau heute vielfach benötigt, den Vorteil, daß sie den Ausgleich von Fluchtungsfeh'orn otie großen Zwang ermöglichen.

l'ls sind Wellenkupplungen bekannt, bei denen eine am Außenrand und am konzentrischen Innenrand eingespannte kreisrunde Membran zur drehstcifcn und bcugcclastischcn Übertragung von Drehmomenten in einem Gelenk benutzt wird. Da am Innenrand der Umfang geringer ist als am Außenrand und da auch der wirksame Hebelarm innen geringer ist als außen, sind die Beanspruchungen bei kreisrunden durchgehend gleich dicken Vollmembrancn bei der Drehmomcnlübertragung innen größer als außen. Zum Ausgleich wurden Membranen mit ebener Mittelebene aus dem Vollen heraus derart auf einer Drehmaschine gefertigt, daß die Wandstärke im freien Teil von außen nach innen (|uadralisch mit dem Kehrwert des Radius zunimmt (BENDIX-Kupplungen der BENDIX Corp.. Utica, N. Y.). Auch wurde der Innenrand solcher Membranen derart verstärkt, daß eine der bekannten Hirth-Vcr/.ahnung ähnliche Verzahnung mit radialen Zähnen zur formschlüssigcn Drehmomentübertragung entweder unmittelbar am Mcmbranmatcrial innen angebracht werden kann oder an einem angeschweißten Verstärkungsring. Diese Ausführung ist fertigungsaufwendig und daher teuer. Ks ist auch bekannt, vorzugsweise parallclflächige ebene Membranen mit konzentrischem In-

t>5 ncnrand und Außenrand als drehsteif-beugeclastische Übertragungsglieder in der Membrankupplung zu verwenden und diese mit Ausschnitten, vorzugsweise nahe und verbreitert am Außenranil zu versehen (DFi-GM