DE2821856B2

DE2821856B2 - Sperrkupplung

Info

Publication number: DE2821856B2
Application number: DE2821856A
Authority: DE
Inventors: Boerje Aelvsjoe Sjoegren (Schweden)
Original assignee: PASSAD AUTOMATION AELVSJOE (SCHWEDEN) AB
Current assignee: PASSAD AUTOMATION AELVSJOE (SCHWEDEN) AB
Priority date: 1977-05-26
Filing date: 1978-05-19
Publication date: 1980-03-06
Also published as: SE7706154L; NO144753B; SE405886B; JPS53147153A; US4172368A; NO144753C; FI781654A; JPS613970B2; FI63999C; FI63999B; DE2821856A1; DK231378A; NO781832L; DK147188B; DE2821856C3; DK147188C; GB1589149A

Description

Die Erfindung betrifft eine Klemm- oder Sperrkupplung, mit der man ein Drehmoment von einem Antriebsteil zu einem Abtriebsteil einer Maschine so übertragen kann, daß der Abtriebsteil gegenüber einem stationären Bauteil in beliebiger Richtung in eine beliebige Winkelstellung gelangt, wobei jedoch dafür gesorgt ist, daß eine von außen angreifende Kraft den Abtriebsteil nicht aus der eingestellten Winkellage herausbewegen kann. Der spezielle Aufbau einer solchen Klemm- oder Sperrkupplung ergibt sich aus dem Oberbegriff des vorsiehsnden Anspruchs 1.
Solche Klemm- oder Sperrkupplungen verwendet man bereits seit langer Zeit als übliche Maschinenelemente. Zahlreiche Varianten solcher Kupplungen sind bereits hergestellt worden. Bei üblichem Aufbau befindet sich innerhalb eines jeden Rollenpaares eine

ίο Feder oder ein ähnliches Bauelement als elastischer Abstandshalter. Mit einer gewissen Vorspannung drücken die Feder die einzelnen Rollenelemente gegen eine Klemmfläche am Gehäuse und an der Nabe. Die Klemmflächen begrenzen in radialer Richtung den

is keilförmigen Angriff der einzelnen Rollenelemente. Dieser erwähnte Keileffekt, d. h. die Anfangsreibung an der Klemmfläche des Gehäuses auf Grund der Vorspannung, hat die Aufgabe, einen Schlupf an den Rollenelementen zu verhindern, wenn diese auf Grund eines von außen angreifenden Drehmoments von der Nabe beaufschlagt werden, damit der Abtriebsteil verriegelt wird. Wenn in der Kupplung ein Drehmoment vom Antriebsteil übertragen wird, bewegen sich die Rollenelemente, die sonst eine Bewegung blockieren, aus den Verkeilungsstellungen heraus, da die in Bewegungsrichtung zeigenden Segmentseiten der Antriebsteilmitnehmer dort angreifen, so daß es dann gleichzeitig auch zu einer Zusammendrückung der Federn kommt. Die Nabe des Abtriebsteils wird aber

s<> erst anschließend bewegt, wenn es zu einer Anlage zwischen besonderen Antriebsflächen des Antriebsteilmitnehmers und der Nabe kommt.

Wenn Kupplungen nach diesem Prinzip arbeiten, ergibt sich stets ein gewisses Spiel zwischen dem

i"> Antriebsteilmitnehmer und der Nabe, d. h. es ergibt sich unvermeidbar ein Leerlauf für den Antriebsteil, wenn dieses gegenüber dem Abtriebsteil in einer neuen Richtung gedreht wird. Für viele Anwendungen, beispielsweise bei Steuersystemen, bei denen die

•tu Winkelstellung eines angetriebenen Maschinenteils eine gesteuerte physikalische Variable wiedergibt, ist ein solches Spiel in höchstem Maße nachteilig, da es die Genauigkeit im gesteuerten System vermindert.

In bekannten Kupplungen der genannten Art ist es

4^ ferner ungünstig, daß diese eine Federanordnung enthalten, weil hierdurch der Aufbau komplizierter wird und weil die Funktion der Kupplung auch davon abhängig wird, ob die Federn ihre Elastizität beibehalten und nicht ermüden. Nachteilig ist ferner der von den

w Federn eingenommene Raum, der zwangläufig zu einer Vergrößerung des Gehäusedurchmessers für eine vorgegebene Anzahl von Rollenelementen führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Sperrkupplung der einleitend genannten Art, die

V) bei der Übertragung eines Drehmoments zum Abtriebsteil das Abtriebsteil ohne jegliches Spiel zwischen den kuppelnden Teilen genau einstellen läßt. Im übrigen bezweckt die Erfindung auch die Schaffung einer Kupplung, die einen einfacheren Aufbau hat, sich im Betrieb als robuster erweist und kleinere Abmessungen hat als die vorstehend beschriebenen Feder-Kupplungen.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sperrkupplung gelöst, die so ausgebildet ist,

h^ei wie es der Kennzeichnungsteil der Ansprüche angibt.

Die nachfolgend ausführliche Beschreibung nimmt Bezug auf die Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Kupplung beispiels-

weise veranschaulicht sind. In den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung gemäß der Schnittlinie 1-1 der Fig. 2,

F i g. 2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie H-II der Fig. 1,

Fig.3 einen vergrößerten Ausschnitt des Querschnittes gemäß F i g. 2 und

F i g. 4 eine schematische Darstellung einer abgewandelt ausgebildeten Kupplung.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Kupplungsgehäuse 10 ist mit seitlich angebrachten Flanschen 12 versehen, in denen sich Bohsungen 11 oder ähnliche Anschlüsse befinden, mit denen das Gehäuse 10 drehfest mit einem festen Maschinenteil verbunden werden kann. Das Gehäuse 10 ist eine im wesentlichen zylindrische Hülse mit einer stetigen glattwandigen Bohrung 13, deren Mitte 14 die Drehachse der Kupplung ist. Da die Bohrung 13 als Klemmfläche dient uml hohen örtlich angreifenden Druckkräften ausgesetzt ist, sollte die Innenwand der Hülse aus hartem, verschleißfestem Werkstoff bestehen. Beispielsweise kann in das Gehäuse 10 eine Stahllegierungsbuchse eingeschrumpft sein, so daß man das Gehäuse dann aus einem billigeren Material, beispielsweise aus Gußeisen herstellen kann.

Der Abtriebsteil 20 der Kupplung ist im Beispiel ein Wellenende, welches in das Gehäuse 10 eir greift und dort mit einem nicht dargestellten Lager koaxial zur Klemmfläche 13 gelagert ist. Mit Hilfe eines Wellenkeils od. dgl. ist auf dem Wellenende drehfest eine der Gehäuseform angepaßte Nabe 21 befestigt, deren dem Gehäuseinneren zugewandter innerer Teil 22 im Längsschnitt gesehen eine Mantelfläche hat, die sich parallel zur Klemmfläche 13 erstreckt. Am außenliegenden Teil der Nabe 21 befindet sich eine ringsum laufende Ausnehmung 23.

Wie aus Fig.2 zu ersehen, hat die Nabe 21 in einer senkrecht zur Achse verlaufenden Ebene einen Querschnitt, den man als regelmäßiges Polygon ansprechen kann, dessen Mitte mit der Achse 14 zusammenfällt. Die Polygonseiten 24, die als nach außen gerichtete Klemmflächen wirken, können dadurch erzeugt werden, daß man parallel zur Achse Fassetten einfräst oder einschleift. Es ist aber auch möglich, diesen Flächen eine schwach konvexe Form zu geben oder auch die Ecken 25 abzurunden.

In dem im wesentlichen ringförmigen Raum zwischen der nach iniien gerichteten Klemmflrche 13 des Gehäuses und den nach außen zeigenden Klemmflächen 24 der Nabe, ist ein Antriebsmitnehmer 31 eingefügt, der zum Antriebsteil 30 der Kupplung gehört. Wie F i g. 1 zeigt, kann der antreibende Mitnehmer 31 von einem Rohrabschnitt auf einer ebenen Bodenfläche 32 des Antriebsteils gebildet sein. Der Außendurchmesser des Rohrabschnittes ist dem Durchmesser der Klemmfläche 13 angepaßt. Der Innendurchmesser des Rohrabschnittes kann etwas größer sein als der Durchmesser über die Ecken 25 der Nabe gemessen. In diesem Rohrabschnitt sind beispielsweise durch Fräsen mehrere gleichförmig verteilte Schlitze eingearbeitet, wobei die Anzahl der Schlitze der Anzahl der Fassetten der Nabe 21 entspricht. Durch die Anordnung der Schlitze bildet das stehengebliebene Material fingerförmige Segmente 33, welche von gleichförmig angeordneten, sich axial erstreckenden Flächen 34 begrenzt werden. Die in Fig. 1 obenliegenden Teile der Segmente 33 gehen in einen Lagerzapfen 35 über, der am oberen Ende 15 in das Gehäuse 10 eingesetzt ist. Die Segmente 33, die etwas langer sind als der Nabenteil 22, sind mit Schrauben 36 mit einem Ring 37 verbunden, welcher mit seinem rechteckigen Querschnitt in einer entsprechend ausgebildeten rechteckigen 'Jmfangsrinne 16 des Gehäuses ruht Auf diese Weise ist der antreibende Mitnehmer in axialer Richtung innerhalb des Gehäuses 10 festgelegt und kann dann die Nabe 21 sowohl in axialer als auch in radialer Richtung fünren.

Der Ringraum zwischen dem Gehäuse 10 und der

lu Nabe 21 wird durch die antreibenden Mitnehmersegmente 33 in eine Mehrzahl von congruenten, äquidistan::en Taschen 40 unterteilt Gemäß der bevorzugten Ausführungsform nach F i g. 1 bis 3 liegt jede Tasche in radialer Richtung außen vor einer Nabenecke 25.

Die Taschen bestehen somit aus zwei keilförmigen Räumen 42a und 42d, die in gegensinniger Konfiguration beidseitig der SymmetrieRäche 41 der Tasche 40 liegen. Jeder dieser keilförmigen Räume 42a, 42f> verengt sich von der Segmentseitenfläche 34 ausgehend in Richtung auf die Symmetrieebene (siehe Fig. 3). In jedem dieser zwei Faschenräume befindet sich ein Rollenelernent 43a, 43b. Die Rollenelemente sind üblicherweise Zylinderrollen, deren Länge etwas geringer ist als die Länge des Nabenteils 22. In abgewandelter Ausführungsform können die Rollenelemente auch Kugeln sein.

Wie die Fig.4 zeigt, lassen sich die Rollenelemente auch in solcher Relativlage zwischen Nabe und

«ι antreibenden Mitnehmern so einsetzen, daß jede Nabenecke unmittelbar einem antreibenden Mitnehmersegment 38 gegenüber liegt. Die Taschenräume bei dieser abgewandelten Ausführungsform haben somit eine andere Gestalt als bei der Ausführungsform

r> gemäß F i g. 1 bis 3. Die Unterschiede liegen darin, daß sich die Höhenabmessung der Tasche in Art von zwei Keilen vermindert, welche bezüglich der Symmetrieebene 41 gegensinnig gerichtet sind und konisch auf die Segmentseiten 34 der Tasche hinlaufen. In jeder Tasche

■"> verlaufen die Segmentseiten parallel zueinander und haben einen Abstand voneinander, der gleich dem Doppelten des Rollendurchmessers ist.

Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung liegen die Rollenelemente 43 eines jeden Paares

·>■> bewegungsmäßig festgelegt in ihren Taschen 40, d. h., daß jedes Rollenelement eines Paares innerhalb einer Tasche sowohl in radialer als auch in axialer Richtung an den die Tasche bildenden Flächen zur Anlage kommt. Ein Rollenelement 43a hat daher einen Linienkontakt

^r>t) mit den beiden Klemmflächen 13 und 24 an den in F i g. 3 eingezeichneten Schnittpunkten 44 und 45. Die Rollenelemente liegen aber auch am Schnittpunkt 46 jeweils an einer benachbarten Segmentseitc 34 an (siehe F i g. 3). Jedes Rollenelement eines Paares hat aber auch

^Γ>ί gleichzeitig einen Linienkontakt mit dem anderen Rollenelement 43i> des gleichen Paares in der Symmetrieebene. Beide Rollenelemente 43a und 436 liegen daher in analoger Weise in ihren Taschenräumen 42a und 42b ohne jedes Spiel. Es sei hier noch erwähnt,

wi daß bei der erfindungsgemäßen Kupplungsausbildung weder an dem antreibenden Mitnehmer 31 noch am Antriebsteil 30 irgendwelche Anschlagflächen vorgesehen sind, die unmittelbar die Nabe 21 beaufschlagen können, wenn diese zu verstellen ist. Für die

""> Drehmomer.tenübertragung zur Nabe sorgen allein die Rollenelemente. Im übrigen werden auch keinerlei Federn oder sonstige elastische Bauelemente benötigt, um die Rollenelemente gegen ihre Klemmflächen in die

Sperrstellung zu bringen. Alle zusammenwirkenden Bauelemente der Kupplung für die Verstellung des Abtriebsteils behalten fortgesetzt ihre gegenseitig nicht verdrehbarc Beziehung wegen der Geometrie der zusammenwirkenden Oberflächen.

Wenn gemäß F i g. 3 in Richtung des Pfeiles A ein Drehmoment vom Antriebsteil 30, der mit einem Hebel 39 oder einem sonstigen Betätigungsglied versehen sein kann, zu übertragen ist, entsteht im Punkt 45 am Rollenelement 43a eine Kraft F, mit der das Rollenelement gegen die zwei Klemmflächen 13 und 24 gedruckt wird, wo dann zwei Normalkräfte N\ und .V₂ an den Berührungspunkten 44 und 45 zum Angriff kommen. Entgegen der Normalkraft /V₂ wirkt eine gleichgroße entgegengesetzte Kraft an der Nabe 21 im Abstand des Radiusvektors R. Das übertragene Drehmoment hängt somit zum Teil von der Länge von R, d. h. von der Seitenzahl und der Größe des Polygons und zum Teil von der Größe von N₂ ab. Die Normalkraft /V₂ ist die zu erhaltende Nutzkraft unter Berücksichtigung der Reibungskoeffizienten μ ■ F, μ\ ■ N\ und μ₂ · /V₂ an den drei Kontaktpunkten. Der geometrische Zusammenhang ergibt sich aus dem Kräftediagramm für den Bewegungszustand im linken Bereich der 7 i g. 3.

Aus Vorstehendem ist zu ersehen, daß die Reibungskomponente μι · /Vi an der Gehäusewand den größten Einfluß bezüglich einer Verkleinerung von /V₂ hat. Wenn jedoch die Segmentseiten 34 nach innen in Richtung auf die Ecken 25 im Taschenbereich geneigt verlaufen, wie es die F i g. 3 zeigt, wird F größer, und es verbessert sich die Relation zwischen den Normalkräften A/i und /V₂, so daß sich das übertragene Drehmoment /V₂/? in entsprechendem Maße vergrößert.

Wenn von dem antreibenden Mitnehmer ein Drehmoment zugeführt wird, ergibt sich eine gewisse elastische Verformung der kuppelnden Teile wegen der Keilwirkung der Rollenelemente 43a an den Kiemmflächen der Taschenräume 42a. Hieraus resultiert dann, daß die Radialabmessung in den Taschenräumen 42a und 42b etwas größer wird. Die inaktiven Rollenelemente 43b werden durch die antreibenden Rollenelemente in Uhrzeigerrichtung etwas verdrängt, so daß eine etwaige vorher bestandene Klemmwirkung beseitigt wird. Zur gleichen Zeit, zu der die Kontaktkräfte N] und /V₂ von den antreibenden Rollenelemente größer werden und dann das resultierende Drehmoment /V₂/? groß genug wird, um die am Antriebsteil 30 einwirkenden äußeren Kräfte zu übersteigen, werden die Nabe 21 und auch alle Rollenelemente entlang der Klemmfläche des Gehäuses in Bewegung gesetzt.

Wenn nach dem Einstellen einer willkürlich gewählten winkelmäßigen Einstellung der Kupplung auf den Abtriebsteil eine äußere Kraft einwirkt, die bestrebt ist die Kupplung aus dieser eingestellten Lage herauszubewegen, beispielsweise, wenn eine äußere Kraft in Richtung des Pfeils B der F i g. 3 angreift, entstehen an

ίο den Punkten 44 und 45 Normalkräfte /Vi und /V₂ auf Grund des Keileffektes zwischen den Rollenelementen 43a und den Keilflächen in dem Taschenraum 42a und wegen der Lagerreibung am Antriebsteil 30. Die erwähnten Normalkräfte N\ und /V₂ und die zuvor in entgegengesetzter Richtung wirkenden Reibungskräfte μι · /ν'ιΐιηΰμ2 · /V₂ kommen dann zum Ausgleich, wie
in dem Kräftediagramm im rechten Teil der F i g. 3 dargestellt ist. Da der Winkel zwischen den Normal kräften, d. h. der Keilwinkel in den Räumen 42, geringer ist als der Reibungswinkel des verwendeten Materials, ergibt sich kein Schlupf und es werden die Normalkräfte unmittelbar proportional dem von der Nabe 21 zugeführten Drehmoment. Wenn das Drehmoment reversiert wird, um entgegen der Richtung des Pfeiles B zu wirken, kommen jetzt die Rollenelemente 43f> zur keilenden Einwirkung. Es entsteht dabei keine meßbare Drehung der Nabe wegen der elastischen Verformung der Kupplungsteile. Diese erwähnte Verformung, die auch bei der winkelmäßigen Verstellung der Kupplung auftritt, übernimmt jetzt die Funktion, die bei vorbekannten Sperrkupplungen von den Federn übernommen wurde.

Die Funktion der abgewandelten Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist der zuvor beschriebenen Funktion analog, mit dem Unterschied, daß bei einer Verstellung der Winkellage innerhalb der Kupplung die Kraft von den treibenden Mitnehmersegmenten zu jedem der antreibenden Rollenelemente 43a nun über das zwischenliegende Rollenelement 436 des gleicher Rollenelementenpaares übertragen wird.

Eine erfindungsgemäße Kupplung ist somit in dei Lage, jede gewünschte Drehbewegung exakt und ohne Spiel zwischen Antriebsteil und Abtriebsteil zu über tragen, wobei auch sichergestellt wird, daß anschließenc der Abtriebsteil schlupflos verkeilt und ohne Spiel in dei eingestellten Lage blockiert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Sperrkupplung zum Übertragen eines Drehmoments von einem Antriebsteil zu einem sich in der eingestellten Lage arretierenden Abtriebsteil, bestehend aus einem stationären Gehäuse, dessen zylindrische Bohrung eine nach innen gerichtete Klemmfläche bildet, einer mit dem Abtriebsteil verbundenen, koaxial innerhalb der zylindrischen Gehäusebohrung gelagerten Nabe, deren der Gehäuseklemmfläche zugewandte Mantelfläche in Art eines regelmäßigen Polygons aneinanderstoßende Klemmflächen aufweist, einem mit dem Antriebsteil verbundenen und koaxial zu Nabe und Gehäusebohrung ausgerichteten Mitnehmer, welcher in axialer Richtung zwischen Gehäusebohrung und Nabe mit fingerartigen Segmenten so eingreift, daß zwischen den letzteren neben den einzelnen Nabenecken untereinander gleiche Taschen entstehen, die in Umfangrichtung von zwei gegenüberliegenden Segmentflächen begrenzt werden und aus zwei gegensinnig ausgerichteten keilförmigen Räumen bestehen, die symmetrisch zur Taschen-Symmetrieebene liegen, paarweise in den Taschenräumen angeordneten Rollenelementen, welche bei beliebiger Drehung des Antriebsteils über die Klemmfläche der Gehäusebohrung laufen, aber bei versuchter Drehung des Abtriebsteils die Kleminflächen von Gehäusebohrung und Nabe mit jeweils einem Rollenelement keilend beaufschlagen, um den Abtriebsteil zu arretieren, während das zweite Rollenelement des gleichen Paares inaktiv bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativlage der Rollenelemente (43) in den Taschen (40) dadurch fixiert ist, daß jedes Rollenelement (43) eines Paares an beiden Klemmflächen (13,24), an der den keilförmigen Raum (42) des Rollenelements (43) begrenzenden Segmentfläche (34) und am zweiten Rollenelement (43) des gleichen Paares zur Anlage kommt, so daß die Nabe (21) durch ein Drehmoment am Antriebsteil (30) mittels eines der Rollenelemente (43) gedreht wird, welches über eine in Drehrichtung zeigende Segmentfläche (34) des Mitnehmers (33) gegen beide Keilflächen (13, 24) gedruckt wird.

2. Sperrkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken (25) der Nabe (22) in der Taschen-Symmetrieebene (41) angeordnet sind, daß beide Segmentflächen (34) des Mitnehmers (33) in jeder Tasche (40) nach innen in Richtung auf die Ecken (25) divergieren, um die Reibung zwischen der Klemmfläche (13) der Gehäusezylinderbohrung und dem Rollenelement (43) zu vermindern, welches bei einer Kupplungsverstellung in drehmomentenübertragendem Eingriff mit diesem Rollenelement (43) steht.