DE2840042C2 - Selbsttätig einruckbare Synchron-Zahnkupplung mit hydraulischer Einruck--Servovorrichtung - Google Patents

Description

Bei einer bekannten Synchron-Zahnkupplung der irn Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Gattung (DE-PS 1181992) ist die Schraubmuffe axial unverschiebbar im Kupplungsstern gelagert, und der Kolben ist auf einer Kolbenstange befestigt, die mit einem an ihrem einen Ende ausgebildeten Kopf ebenfalls axial unverschiebbar im Kupplungsstern gelagert ist. Der vom Kolben gesteuerte Kanal erstreckt sich durch eine ortsfeste Büchse, in der ein vom Kopf abgewandter Endabschnitt der Kolbenstange geführt ist. Dieser Endabschnitt weist im Abstand vom Kolben eine Ringnut auf, die durch EJohrungen ständig mit der Zylinderkammer verbunden ist und bei ausgerückter Kupplung keine Verbindung mit der vom Kolben gesteuerten Leitung hat.

Bei dieser bekannten Kupplung beginnt der Einrückvorgang, wenn der Antriebskörper, der mit einer treibenden Maschine verbunden ist, den Abtriebskörper überholt, der mit einer Maschine verbunden ist, welche angetrieben werden soll. Das Überholen bedeutet, daß der Kupplungsstern vorübergehend in bezug auf die Schraubmuffe in der Aniriebsdrehrichtung voraneilt, wodurch das Klinkengesperre einrastet, so daß die Schraubmuffe vom Kuppliingsstern in der Antriebsdrehrichtung mitgenommen wird. Infolgedessen führt die Schraubmuffe eine Relativdrehung gegenüber dem Abtriebskörper aus und die Steilgewindepaarung bewirkt, daß die Schraubmuffe dabei eine Schraubbewegung zum Abtriebskörper hin ausführt Da eine Relativverschiebung der Schraubmuffe in bezug auf den Kupplungsstern nicht möglich ist, nimmt die Schraubmuffe den Kupplungsstern sofort in axialer Richtung mit, wobei dessen zweite Verzahnung beginnt, in die

ίο Zahnlücken der Verzahnung des Abtriebskörpers einzugreifen. Um dies zu erleichtern, sind beide Verzahnungen mit Anschrägungen versehen. Wenn diese Verzahnungen auf einer vorbestimmten Länge miteinander in Eingriff gekommen sind, hat der Kolben, der vom Kupplungsstern in axialer Richtung verschoben worden ist, eine Stellung erreicht, in welcher der von ihm gesteuerte Kanal mit dem Zylinderraum verbunden ist. Von nun an strömt Druckmittel ungehindert in den Zylinderraum und der dort entstehende Druck verschiebt den Kolben und mit ihm den Kupplungsstern weiter in Einrückrichtung, bis die zweite Verzahnung des Kupplungssterns mit der zugehörigen Verzahnung des Abtriebskörpers vollständig gekuppelt ist.

Die beschriebene bekannte Kupplung hat sich bis zu größten Drehmomenten gut bewährt. Wenn die Kupplung aber imstande sein soll, sehr große Drehmomente -u übertragen und der Kupplungsstern dementsprechend kräftig bemessen ist, dann kann die Massenträgheit des Kupplungssterns so groß werden, daß in einer ersten Phase des Einrückvorgangs ein beträchtliches Drehmoment über die Kupplung übertragen werden muß, um den Kupplungsstern in axialer Richtung so weit zu verschieben, bis in einer zweiten

)■> Phase des Einrückvorgangs die vom Druckmittel auf den Kolben ausgeübte und von diesem auf den Kupplungsstern übertragene axiale Kraft die Kupplung vollständig einrücken läßt. Das in der ersten Phase erforderliche Drehmoment steht jedoch, beispielsweise

•to beim Anfahren von Turbinen-Generatorsätzen, nicht immer zur Verfügung. Andererseits besteht die Gefahr, daß der Kupplungsstern am Ende des Einrückens seine durch Anschläge festgelegte Endstellung mit zu großer Axialgeschwindigkeit erreicht, wodurch wegen der großen Massenträgheit des Kupplungssterns und der sich mit ihm bewegende Teile Schaden an der Kupplung selbst wie auch an den Lagern der durch sie gekuppelten Wellen entstehen können. Bei der bekannten Kupplung ist es zwar möglich, den Kolben während des

5» Einrückens in einer zweiten Zylinderkammer Druckmittel verdrängen zu lassen, das durch eine Drosselstelle abfließen kann; es ist jedoch schwierig, die Drosselung so einzustellen, daß sie den Beginn des Einrückens nicht zusätzlich erschwert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine selbstsynchronisierende Kupplung zu schaffen, die auch dann, wenn sie zum Übertragen großer Drehmomente ausgebildet ist, für den gesamten Einrückvorgang — auch für dessen erste Phase — nur ein minimales

(jo Drehmoment benötigt.

Diese Aufgabe wird bei einer Kupplung der angegebenen Gattung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Durch die Erfindung wird erreicht, daß über das

b"> Klinkengesperre übertragene Drehmoment nur so groß /u sein braucht, daß an der Steilgewindepaarung eine Axialkraft entsteht, die gerade groß genug ist, um allein die Schraubmuffe axial zu verschieben, während der

Kupplungsstern und mit ihm der Kolben zunächst stehen bleibt. Die Schraubmuffe eilt dem Kolben somit voran und dadurch wird, ehe der Kupplungsstern seine Axialbewegung begonnen hat, dem Druckmittel der Weg in die Zylinderkammer freigegeben, so daß von Anfang an die vom Druckmittel auf den Kolben und über diesen auf den Kupplungsstern ausgeübte Kraft dafür verantwortlich ist, den Kupplungsstern in Einrückrichtung axial zu verschieben. Diese Axialverschiebung verläuft jedoch gesteuert, da der Druckmittelzufluß in die Zylinderkammer selbsttätig gedrosselt oder sogar vollständig unterbrochen wird, wenn der Kolben der Schraubmuffe voraneilt.

Vorteilhafte konstruktive Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 aufgeführt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in isometrischer Darstellung eine aufgeschnittene Synchronzahnkupplung in ausgerücktem Zustand und

Fig. 2a bis 2e je einen axialen Schnitt durch die Synchronisiereinrichtung der Synchronzahnkupplung, und zwar

F i g. 2a in ausgerücktem Zustand, F i g. 2b in einer zum Einrücken bereiten Stellung,

F i g. 2c während des Synchronisieren,

F i g. 2d am Ende des Synchronisierens,

F i g. 2e in eingerücktem Zustand,

F i g. 3a einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 2a und

F i g. 3b den entsprechenden Ausschnitt aus F i g. 2e.

Die dargestellte Synchronzahnkupplung hat eine Antriebskupplungshälfte 12, die mit einer Antriebsmaschine, z. B. einer Gasturbine, fest verbunden ist, eine in J5 festgelegtem axialen Abstand von der Antriebskupplungshälfte 12 angeordnete Abtriebskupplungshälfte 14, die mit einer getriebenen Maschine, z. B. einem Generator, fest verbunden ist, und einem zwischen Antriebs- und Abtriebskupplungshälfte axial verschiebbar angeordneten Kupplungsstern 16. Der Kupplungsstern 16 hat eine gerade Außenverzahnung 18, die mit einer entsprechenden Innenverzahnung 20 der Antriebskupplungshälfte 12 ständig in Eingriff steht, sowie eine zweite gerade, angeschrägte Außenverzahnung 22, die sich durch axiales Verschieben des Kupplungssterns 16 mit einer geraden, angeschrägten Innenverzahnung 24 der Abtriebskupplungshälfte 14 in Eingriff bringen läßt. Der Kupplungsstern 16 ist durch einen Verschiebering 26 und ein Gestänge 28 mit einer hydraulischen 5« Steuervorrichtung 30 verbunden.

Bei ausgerückter Kupplung (Fig. 1, 2a, 3a) ist der Kupplungsstern 16 einerseits durch die Verzahnungen 18 und 20 und andererseits durch ein an der Antriebskupplungshälfte 12 gleichachsig befestigtes « Stützrohr 32 abgestützt und zentriert. Das Stützrohr 32 weist zu diesem Zweck einen Zentrierbund 34 auf, der mit einem Abschnitt 36 von verringertem Durchmesser einer axialen Bohrung des Kupplungssterns 16 zusammenwirkt, solange die Kupple _f; 'licht eingerückt ist. Bei t>o eingerückter Kupplung ist der Kupplungsstern 16 durch die Verzahnungen 18 und 20 einerseits sowie 22 und 24 andererseits abgestützt und zentriert, während die Abstützung an den Zentrierbunden 34 aufgehoben ist (F i g. 2e und 3b). ^

Im Innern der Abtriebskuppiungshälfte 14 sind Aussparungen 38 ausgebildet, in denen je eine Klinke 40 aneeordnet ist. die sich mit einer an ihrer Außenseite ausgebildeten Kippkante 42 an der Wand dieser Aussparung abstützt Den Klinken 40 ist eine axial verschiebbare Schraubmuffe 44 mit einer an ihrem Außenumfang ausgebildeten Klinkenverzahnung 46 zugeordnet, deren Zähne voneinander einen kleineren oder größeren Drehwinkelabstand haben als die Aussparungen 38 und dementsprechend die Klinken 40. Das Produkt aus der Anzahl Klinken 40 und der Zähnezahl der Klinkenverzahnung 46 ist gleich der Zähnezahl der Verzahnungen 20 und 22; infolgedessen lassen sich die Verzahnungen 20 und 22 immer dann einrücken, wenn eine der Klinken 40 hinter einem Zahn der Klinkenverzahnung 46 eingerastet ist.

Jeder Klinke 40 ist eine an der Abtriebskupplungshälftr? 14 in etwa radialer Richtung abgestützte Druckfeder 48 zugeordnet, die bestrebt ist, die Klinke in Eingriff mit der Klinkenverzahnung 46 zu drücken. Die Masse jeder Klinke 40 ist in bezug auf die Kippkante 42 derart verteilt, daß die Klinken unter der Wirkung der bei hohen Drehzahlen der Abtriebskuppiungshälfte 14 auftretenden Fliehkräfte bestrebt sind, die Kräfte der Druckfedern 48 zu überwinden, sich von der Klinkenverzahnung 46 abzuheben und so jede weitere Berührung mit der Schraubmuffe 44 zu vermeiden.

An der Schraubmuffe 44 ist innen ein Steilgewinde 50 ausgebildet, das in ein entsprechendes äußeres Steilgewinde 52 einer Scheibe 54 eingreift. Die Scheibe 54 ist durch eine Stützwelle 56 mit dem Stützrohr 32 und über dieses mit der Antriebskupplungshälfte 12 fest verbunden. Die Schraubmuffc 44, die somit einerseits über die Steilgewinde 50 und 52 in bezug auf das Stützrohr 12 zentriert ist, weist andererseits einen rohrförmigen axialen Fortsatz 58 auf, der am Stützrohr 32 axial verschiebbar geführt ist und mit diesem einen ringförmigen Servozylinderraum 60 begrenzt. Auf dem axialen Fortsatz 58 ist axial verschiebbar ein ringförmiger Folgekolben 62 geführt, der mit seinem einen Ende in den Servozylinderraum 60 hineinragt und an seinem anderen Ende einen Kragen 64 aufweist, der in eine Ringnut 66 des rohrförmigen Fortsatzes 58 eingreift; die Ringnut 66 ist breiter als der Kragen 64, so daß sie axiale Bewegungen des Folgekolbens 62 ermöglicht und begrenzt.

Der Kupplungsstern 16, das Stützrohr 32 und der axiale Fortsatz 58 der Schraubmuffe 44 weisen Zufliißkanäle 68 auf, durch die bei jeder möglichen axialen Stellung der Schraubmuffe 44 öl, das von einem Schmiermittelsystem durch den Verschiebering 26 dem Kupplungsstern 16 zugeleitet wird, zu einer äußeren, ringförmigen Steuernut 70 des Fortsatzes 58 gelangt. Der äußeTen Steuernut 70 ist eine in den Folgekolben 62 eingearbeitete innere Steuernut 72 zugeordnet, die durch Kanäle 74 im Folgekolben 62 mit dem Servozylinderraum 60 verbunden ist.

Der Folgekolben 62 weist einen äußeren Bund 76 auf, dem eine innere Schulter 78 in einer am Kupplungsstern 16 befestigten Mitnehmerhülse 80 zugeordnet ist, so daß der Folgekolben 62 den Kupplungsstern 16 axial in Einrückrichtung mitnehmen kann.

Im folgenden wird die Wirkungsweise der Kupplung beschrieben, wobei angenommen wird, daß die treibende Maschine, und somit auch die Antriebskupplungshälfte 12, zunächst stillsteht und die Kupplung ausgerückt ist, die Verzahnungen 22 und 24 also außer Eingriff sind (Fig. 1, 2a und 3a). Die hydraulische Steuervorrichtung 30 übt eine solche, in den Zeichnungen nach links gerichtete Kraft auf den Verschiebering 26 aus, daß der Kupplungsstern 16 in ausgerückter

Stellung gehalten wird. Dementsprechend drückt die Schulter 78 der am Kupplungsstern 16 befestigten Mitnehmerhülse 80 den Bund 76 des Folgekalbens 62 gegen die benachbarte Stirnfläche des Stützrohrs 32. Der Folgekolben 62 hält deshalb seinerseits mit seinem Kragen 64 die Schraubmuffe 44 in axialer Richtung fest. Das unter Druck über den Verschiebering 26, die Kanäle 68, Steuernuten 70 und 72 und die Zuflußkanäle 74 in den Servozylinderraum 60 gelangende öl übt auf den Folgekolben 62 eine Kraft aus, die der Haltekraft der Steuervorrichtung 30 zwar entgegenwirkt, aber wesentlich kleiner ist, so daß die Kupplung im ausgerückten Zustand gemäß Fig. 1, 2a und 3a bleibt. Es sei nun angenommen, die Maschine, die mit der Abtriebskupplungshälfte 14 fest verbunden ist, und somit auch die Abtriebskupplungshälfte selbst, drehe sich schon mit der normalen Betriebsdrehzahl. Die sich mitdrehenden Klinken 40 sind von der Klinkenverzahnung 46 abgehoben, da die auf die Klinken einwirkende Zentrifugalkraft bedeutend größer ist als die Kraft der Druckfedern 48. Es besteht somit keinerlei reibende Berührung zwischen den stillstehenden und den umlaufenden Bauteilen der Kupplung.

Soll nun die Antriebsmaschine mit der getriebenen Maschine gekuppelt werden, so wird einerseits die Drehzahl der getriebenen Maschine vermindert und andererseits die Antriebsmaschine mit einer relativ kleinen Drehzahl von beispielsweise 100 Umdrehungen pro Minute gedreht. Wenn es sich bei der Antriebsmaschine beispielsweise um eine Gasturbine handelt, geschieht dieses Drehen üblicherweise mit einem Hilfsantrieb. Die Steuervorrichtung 30 wird, beispielsweise durch ein Elektromagnetventil, so geschaltet, daß die über den Verschiebering 26 auf den Kupplungsstern 16 in Ausrückrichtung ausgeübte Haltekraft reduziert wird und infolgedessen kleiner wird als die hydraulische Kraft, die am Folgekolben 62 in Einrückrichtung wirkt. Der im Servozylinderraum 60 herrschende Öldruck verschiebt nun den Folgekolben 62 in Richtung Abtriebskupplungshälfte 14, wobei der Folgekolben mit seinem Bund 76 gegen die Schulter 78 der Mitnehmerhülse 80 drückt und mit dieser den gesamten Kupplungsstern 16 mitnimmt. Diese Bewegung wird durch den Verschiebering 26 und das Gestänge 28 auf die Steuervorrichtung 30 übertragen.

An der beschriebenen Verschiebung des Folgekolbens 62 nimmt die Schraubmuffe 44 zunächst nicht teil, weil der Kragen 64 des Folgekolbens 62 in der Ringnut 66 des rohrförmigen Fortsatzes 58 axiales Spiel hat Der Folgekolben 62 wird deshalb zunächst nur soweit in Einrückrichtung verschoben, bis die Steuernut 70 sich mit der Steuernut 72 nicht mehr überlappt, wodurch die ölzufuhr in den Servozylinderraum 60 unterbrochen ist Zwischen der in Ausrückrichtung wirkenden Kraft der Steuervorrichtung 30 und der in Einrückrichtung wirkenden Kraft des Folgekolbens 62 stellt sich ein Gleichgewicht ein; die Kupplung ist nun in einer Bereitschaftsstellung (F i g. 2b).

Wird die Maschine, die über die Synchronzahnkupplung angetrieben werden soll, weiter verlangsamt, so wird schließlich eine Drehzahl erreicht, bei der die Kraft der Druckfedern 48 die auf die Klinken 40 einwirkende Zentrifugalkraft überwindet und die Klinken gegen die Klinkenverzahnung 46 drückt, bis schließlich eine der Klinken hinter einem Zahn der Klinkenverzahnung einrastet Sinkt die Drehzahl der anzutreibenden Maschine' weiter, so unterschreitet sie schließlich diejenige der Antriebsmaschine. Infolgedessen überholt die auf der Stützwelle 56 befestigte Scheibe 54 die Schraubmuffe 44, die ihrerseits durch die eingerastete Klinke 40 daran gehindert ist, die Abtriebskupplungshälfte 14 zu überholen. Dadurch entsteht in den Steilgewinden 50 und 52 eine in Einrückrichtung wirkende axiale Kraft, welche die Schraubmuffe 44 in Richtung Abtriebskörper 14 verschiebt, und zwar relativ zu diesem rein axial, jedoch ralativ zur Scheibe 54 und damit auch zur Antriebskupplungshälfte 12 und zum Kupplungsstern 16 in einer Schraubbewegung entsprechend der Steigung der Steilgewinde 50 und 52. Infolge der axialen Bewegung der Schraubmuffe 44 samt Fortsatz 58 bei zunächst noch stillstehendem Folgekolben 62 überlappen sich die Steuernuten 70 und 72

wieder, so daß weiteres Öl in den Servozylinderraum 60 fließen kann (F i g. 2c). Dies hat zur Folge, daß nun auch der Folgekolben 62 wieder in Einrückrichtung verschoben wird, bis der ölzufluß zum Servozylinderraum 60 erneut unterbrochen wird (F i g. 2d).

Im Vorstehenden ist der Einfachheit halber die Drosselwirkung vernachlässigt worden, die zwischen den Kanten der Steuernuten 70 und 72 entsteht. In Wirklichkeit hat diese Drosselwirkung zur Folge, daß der Folgekolben 62 sich nicht schrittweise, sondern kontinuierlich bewegt und dabei den Kupplungsstern 16 stetig der Schraubmuffe 44 nachführt. Die Schraubmuffe 44 hat in dieser Phase des Einrückvorganges nur eine Steuerfunktion zu erfüllen; die Kraft zum Verschieben des Kupplungssterns 16 wird vom Öl im Servozylinder-

JO raum 60 aufgebracht, und so werden große axiale Verschiebekräfte erzeugt, ohne daß Klinken 40 und Klinkenverzahnung 46 mit einem nennenswerten Drehmoment belastet werden.

Die beschriebene Verschiebung des Kupplungssterns

Vi 16 hat zur Folge, daß dessen Außenverzahnung 22 sich mit einer Schraubbewegung, deren Steigung derjenigen der Steilgewinde 50 und 52 entspricht, in die Innenverzahnung 24 der Abtriebskupplungshälfte 14 einschraubt.

•to Sobald eine vorbestimmte axiale Überdeckung der Verzahnungen 22 und 24 erreicht ist, wird das erwähnte, nicht dargestellte Magnetventil umgeschaltet, wodurch die Richtung der von der hydraulischen Steuervorrichtung 30 über das Gestänge 28 und den Verschiebering 26 auf den Kupplungsstern 16 ausgeübten mechanischen Kraft umgekehrt wird. Infolgedessen wird der Kupplungsstern 16 in Einrückrichtung weiter beschleunigt, bis die Verzahnungen 22 und 24 ganz eingerückt sind (F i g. 2e). Die Schraubmuffe 44 hat während dieser letzten Phase der Einrückbewegung keinerlei Funktion und nimmt auch nicht an der weiteren axialen Bewegung des Kupp'ungssterns 16 teil; die Schulter 78 der Mitnehmerhülse 80 entfernt sich daher vom Bund 76 des Folgekolbens 62.

Nun wird die Antriebsmaschine hochgefahren und dabei kann die Kupplung mit ihrem vollen Betriebsdrehmoment belastet werden, da sich die Schraubmuffe 44 nur noch lose mitdreht und die Klinken 40 nicht mehr belastet Infolgedessen können die Klinken 40 von der Klinkenverzahnung 46 abheben, so bald die Drehzahl erreicht ist bei der die auf die Klinken einwirkenden Fliehkräfte größer sind als die Kräfte der Druckfedern 48.
Das Ausrücken der Synchronzahnkupplung kann bei jeder beliebigen Drehzahl in bekannter Weise dadurch ausgelöst werden, daß dem erwähnten Magnetventil ein Umschaltsignal zugeführt und dadurch Drucköl zur Ausrückseite der Steuervorrichtung 30 geleitet und

gleichzeitig die Einrückseite entlastet wird. Die Folge davon ist, daß die Steuervorrichtung 30 über das Gestänge 28 und den Verschiebering 26 den Kupplungsstern 16 zur Antriebskupplungshälfte 12 hin verschiebt, wodurch die Verzahnungen 22 und 24 außer Eingriff

kommen. Der Folgekolben 62 wird von der Mitnehmerhülse 80, deren Schulter 78 gegen den Bund 76 drückt, in seine Ausgangsstellung gemäß F i g. 1 und 2a zurückgeschoben, in die der Folgekolben 62 mit seinem Kragen 64 auch die Schraubmuffe 44 mitnimmt.

Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

!8 40 042 Patentansprüche:

1. Selbsttätig einrückbare Synchron-Zahnkupplung mit hydraulischer Einrück-Servovorrichtung, mit je einer verzahnten Antriebs- und Abtriebskupplungshälfte und einem Kupplungsstern, der mittels einer ersten Verzahnung auf einer der verzahnten Kupplungshälften axial verschiebbar geführt und mit einer zweiten Verzahnung in die andere Kupplungshälfte einrückbar ist, mit einer den Kupplungsstern beim Einrücken steuernden Schraubmuffe, die über eine Steilgewindepaarung mit einer der Kupplungühälften in Eingriff steht und über ein Klinkengesperre mit der anderen Kupplungshälfte kuppelbar ist, wobei die Einrück-Servovorrichtung einen den Kupplungsstern mitnehmende,ι Kolben aufweist, dessen von der Schraubmuffe eingeleitete Verschiebung den Zuflußkanal zum Servozylinderrautn steuert, um das Einrücken der Kupplung hydraulisch zu unterstützen, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrück-Servovorrichtung (62,76,68,74,44) als Nachlauf-Folgesteuerung ausgebildet ist, bei welcher der Kolben als Folgekolben (62) hydraulisch beaufschlagt einer Gleitverschiebung der voreileriden Schraubmuffe (44) folgt, die relativ zum Kupplungsstern (16) und zum Kolben begrenzt axial beweglich ist und den Zuflußkanal (68, 74) zum Servozylinderraum (60) mittels einer am Kolben angebrachten Steuernut (72) öffnet und schließt.

2. Zahnkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilabschnitt des Zuflußkanals (68, 74) sich durch einen axialen Fortsatz (58) der Schraubmuffe (44) erstreckt, auf dem der als Ringkolben ausgebildete Folgekolben (62) geführt ist.

3. Zahnkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Folgekolben (62) relativ zum Kupplungsstern (16) im Ausrücksinn verschiebbar ist.