DE2934164A1

DE2934164A1 - Drehmomentbegrenzer

Info

Publication number: DE2934164A1
Application number: DE19792934164
Authority: DE
Inventors: Heizaburo Kato; Masao Nishioka; Yoshio Ogawa
Original assignee: Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nidec Instruments Corp
Priority date: 1978-08-24
Filing date: 1979-08-23
Publication date: 1980-03-06
Also published as: DE2934164C2; US4311224A

Description

Kabushiki Kaisha Sankyo Seisakujo 37-3 Tabatashinmachi 3-chome, Kita-ku, Tokyo, Japan

Drehmomentbegrenzer

Die Erfindung befaßt sich mit Verbesserungen an einem Drehmomentbegrenzer und einer elastischen Andruckeinrichtung für die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln des Begrenzers.

Allgemein wirkt ein Drehmomentbegrenzer - auch als Sicherheitskupplung zu bezeichnen - derart, daß er ein sogenanntes kritisches Drehmoment oder einen maximalen Grenzwert des Drehmoments bestimmt, d.h. einen Drehmomentenwert, der zwischen zwei Maschinenelementen nicht überschritten werden soll. Wenn ein übermäßiges Drehmoment, das den voreingestellten kritischen Wert übertrifft, an eines der Elemente auf der einen oder der anderen Seite angelegt wird, unterbricht der Drehmomentbegrenzer die Übertragung des Drehmoments auf das andere Element. Durch diese Vorgabe des kritischen Drehmoments schützt der Begrenzer die betreffende Maschine; er

030010/0863

verhindert Unfälle, die andernfalls zu Verletzungen oder gar zum Tod des Bedienungspersonals führen könnten; er stellt ferner eine nützliche Einrichtung für eine Drehmomentsteuerung dar, die bei technischen Einrichtungen, Betriebsanlagen, Apparaten ur.d Werkgeräten unterschiedlichster Art eingesetzt werden kann.

Der zwischen den beiden Maschinenelementen angeordnete Drehmomentbegrenzer muß grob gesprochen die drei folgenden charakteristischen Bedingungen erfüllen:

(1) Charakteristik während des normalen Betriebs (bei nicht mehr als dem kritischen Drehmoment) Die Drehmomentübertragung zwischen den beiden Maschinenelementen soll so erfolgen, als wenn beide über einen starren Körper (z.B. eine starre Welle oder zwei Flansche) fest miteinander verbunden wären, so daß das auf ein Maschinenelement einwirkende Drehmoment verlustfrei und genau auf das andere Maschinenelement übermittelt wird.

(2) Charakteristik während anormalen Betriebs (bei mehr als dem kritischen Drehmoment)

Der Drehmomentbegrenzer stellt, wie erwähnt, eine Sicherheitseinrichtung dar; jedes Drehmoment, das den voreingestellten kritischen Wert übersteigt, muß von dem Begrenzer zwangsweise abgefangen und an der Übertragung

030010/0863

auf das andere Maschinenelement gehindert werden. Der Begrenzer hat nicht das erwünschte Betriebsverhalten, wenn sich seine kritische Drehmomenteinstellung in Abhängigkeit von den Bedingungen, unter denen die Vorrichtung benutzt wird, in größerem Umfang ändert. Der Begrenzer soll vielmehr immer genau dann ansprechen, wenn der voreingestellte Wert erreicht wird. Ein Begrenzer, der in der Lage ist, ein Abschaltsignal zu erzeugen, ist vorzuziehen.

(3) Au.srückcharakteristik

Die Charakteristik eines Drehmomentbegrenzers, der einmal die Drehmomentübertragung zwischen zwei Maschinenelementen unterbrochen hat, ist zweckmäßigerweise so beschaffen, daß die beiden Elemente gegeneinander völlig frei sind, so daß keines der Elemente irgendeine Kraft auf das andere Element übermittelt. Vorzugsweise ist der Begrenzer so ausgelegt, daß eine externe Kraft erforderlich ist, um ihn zurückzustellen.

Bislang wurden Scherbolzen, Scherplatten und Scherringe als Drehmomentbegrenzer verwendet, die die vorstehenden Erfordernisse hinsichtlich der Drehmomentbegrenzercharakteristik erfüllen. Wenn bei einer derartigen Anordnung aufgrund des Anlegens eines übermäßigen Drehmoments eine Scherkraft auftritt, die größer als die zulässige Scherfestigkeit ist,

030010/0863

bricht die Anordnung, wodurch die Drehmomentübertragung unterbrochen wird. Das der zulässigen Scherbeanspruchung entsprechende übertragbare Drehmoment wird vorliegend als das kritische Drehmoment bezeichnet. Anordnungen dieser Art, die vorliegend kurz unter dem Begriff Brechbolzen-Sicherheitskupplung zusammengefaßt seien, wurden als Sicherheitseinrichtung für zahlreiche Maschinen und Geräte in großem Umfang angewendet .

Brechbolzen-Sicherheitskupplungen sind allgemein wenig kostspielig; nachdem die Drehmomentübertragung durch Brechen der Kupplung unterbrochen ist, stellt sich die Kupplung nicht von selbst wieder zurück. In dieser Beziehung wurden sie als für einen sicheren Betrieb verläßlicher erachtet, als Drehmomentbegrenzer anderer Art wie Reibungs- und Kugelsicherheitskupplungen. Die Brechbolzen-Sicherheitskupplung ist jedoch gleichfalls mit Mangeln behaftet. Der schwerwiegendste Nachteil ist, daß solche Einrichtungen, die für die Begrenzerwirkung die Werkstoffestigkeitseigenschaften ausnutzen, zuweilen aufgrund von Ermüdungserscheinungen des Werkstoffes selbst brechen können, selbst wenn das übertragene Drehmoment unter dem kritischen Wert liegt. Bei gewissen Anwendungen gewährleisten solche Einrichtungen nicht immer eine sichere Funktion. Außerdem können sie in keiner Weise Anforderungen hinsichtlich Drehmomentsteuerung, Überlasterfassung, Aufnahme von Ausrichtungsfehlern und dergleichen erfüllen. Aus diesen Gründen be-

030010/0863

Des weiteren soll ein Drehmomentbegrenzer erhalten werden, der weitgehende Freiheit hinsichtlich Montage, Befestigung und Spannen läßt, von einfachem Aufbau ist, sich mit geringen Kosten fertigen läßt und eine hohe Lebensdauer hat.

Schließlich soll eine elastische Andruckeinrichtung für Drehmoment übertragende Stahlkugeln eines Drehmomentbegrenzers geschaffen werden, die es erlaubt, die Stahlkugeln elastisch und sicher in der gewünschten Arbeitsstellung zu halten, und die es dem Begrenzer gestattet, seine Funktion glatt und wirkungsvoll auszuüben.

Der Drehmomentbegrenzer nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang eines über ein rotierend treibendes Bauteil geschobenen Sperringes eine Mehrzahl von axial verlaufenden, bogenförmigen Ausnehmungen ausgebildet ist, daß eine Mehrzahl von radial gerichteten, auf die bogenförmigen Ausnehmungen des Sperringes abgestimmten Nuten am Innenumfang eines Sperringes vorgesehen ist, der über ein dem treibenden Bauteil gegenüberliegendes getriebenes Bauteil geschoben ist, daß in jede der radialen Nuten eine Drehmoment übertragende Stahlkugel derart eingesetzt ist, daß sie sich nur radial bewegen und um ihre eigene Achse drehen kann, während ihre Bewegung in Urnlaufrichtung und in Axialrichtung beschränkt ist, und daß die Stahlkugeln, solange sie ein kleineres als ein voreingestelltes kritisches Moment übertragen,

030010/0863

mittels einer elastischen Andrückeinrichtung unter drehfester Verbindung von treibendem Teil und getriebenem Teil dic.r.etral nach innen vorgespannt sind. Bei Auftreten eines cen kritischen Drehmor.entwert überschreitenden Drehmoments zwi schen den beiden Bauteilen üoerwinden die Drehmoment übertragenden, gegen die bogenförmigen Ausnehmungen des treibenden Bauteils und die radialen Nuten des getriebenen Bauteils angepreßten Stahlkugeln die Wirkung der elastischen Andrückeinrichtung; sie wandern entlang den Radialnuten radial nach außen, so, daß das treibende Bauteil und das getriebene Bauteil sich gegeneinander drehen können. Entsprechend einer abgewandelten Ausführunsform der Erfindung können das treibende Bauteil und das getriebene Sauteil gegeneinander vertauscht sein. Die bogenförmigen Ausnehmungen und die radialen Nuten sind zweckmäßig jeweils zu mehreren in einer ungeradzahligen Anzahl vorgesehen.

Die elastische Andruckeinrichtung für die Drehmoment üoertragenden Stahlkugeln,- die eine stoßfreie und wirkungsvolle Funktion des Drehmomentbegrenzers erlaubt, ist erfindungsgemäß in der Weise aufgebaut, daß die Stahlkugeln diametral nach innen mittels einer elastischen Andruckanordnung vorgespannt werden, die aus einer Druckfeder, einer Andrucknutter, einem ersten konischen Schubring, einer Gruppe von kleinen Schubkugeln aus Stahl und einem zweiten kenischen Schubring besteht.

030010/0863

von dem treibenden und dem getriebenen Bauteil gebildet werden, gleichzeitig mit Hilfe von einfachen Bearbeitungsmaschinen gefertigt werden können, wobei die die Schlitze bildenden Abschnitte der beiden Bauteile vollkommen miteinander ausgerichtet sind, so daß ein Spiel in der Drehrichtung des treibenden und des getriebenen Bauteils auf einen Kleinstwert herabgedrückt wird und Unregelmäßigkeiten der Drehbewegung während der Drehmomentübertragung minimiert werden.

Ferner soll ein Drehmomentbegrenzer geschaffen werden, der in der Lage ist, gegenseitige axiale und radiale Versetzungen des treibenden und des getriebenen Bauteils sowie Fehler hinsichtlich der Abweichung der beiden Bauteile von dem gemeinsamen Rotationszentrum aufzunehmen.

Des weiteren soll ein Drehmomentbegrenzer erhalten werden, der die Funktionen einer Einpunkt-Stellvorrichtung hat, bei der Ausrücken unter Überlast und Zurückstellen besonders wirkungsvoll erfolgen können. Insbesondere soll der Begrenzer nur ausgehend von dem Abschaltzustand zurückgestellt werden können.

Es soll ein Drehmomentbegrenzer geschaffen werden, bei dem das kritische Überlastdrehmoment entsprechend der Drehzahl abnimmt und der auf einfache Weise ein Überlastsignal erzeugen kann.

030010/0863

- 10 -

steht ein erheblicher Bedarf an einem neuartigen Drehmomentbegrenzer der solche bekannten Systeme ersetzen kann.

Aus der JP-AS 23850/1963 und den JP-OSn 31351/1973 und 51438/1974 sind Drehmomentbegrenzer in Form von Kugelsicherheitskupplungen bekannt, bei denen sich Kugeln in axialen Richtungen bewegen, um ein Drehmoment zu übertragen oder ein Drehmoment zu sperren. Die vorgeschlagenen Geräte können aber hinsichtlich Drehmomentsteuerung, Überlasterfassung, Aufnahme von Fehlausrichtungen und anderer Erfordernisse gleichfalls noch nicht befriedigen.

Der Erfindung liegt im wesentlichen die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Drehmomentbegrenzer zu schaffen, der Drehmoment überträgt und unterbricht, indem dafür gesorgt ist, dcß Drehmoment übertragende Stahlkugeln sich nur radial mit Bezug auf das treibende und das getriebene Bauteil bewegen können, während die Kugelbewegung in der Drehrichtung und der Axialrichtung beschränkt ist.

Es soll ferner ein verbesserter Drehmomentbegrenzer erhalten werden, der sich auf ein kritisches Drehmoment für ein Ausrücken bei Überlast genau einstellen läßt, indem nur eine Stellmutter gedreht wird. Es soll des weiteren ein Drehmomentbegrenzer geschaffen werden, bei dem Radialschlitze zur Aufnahme von Drehmoment übertragenden Stahlkugeln, die gemeinsam

030010/0863

Mit der vorliegend beschriebenen Anordnung werden insbesondere die folgenden Bedingungen erfüllt: (A) Möglichkeit des Ausrückens bei Überlast, (B) genaue Einstellbarkeit des kritischen Drehmoments im Hinblick auf eine Überlast, (C) Minimierung des Spiels in der Drehrichtung, (D)einfache Erzeugung eines Überlastsignals, (E) minimale Unregelmäßigkeiten der Drehung während der Drehmomentübertragung, (F) Aufnahme von Fehlausrichtungen, d.h. (a) Winkelfehler, (b) Parallelitätsfehler und (c) Fehler hinsichtlich des Spalts, der zwischen zwei Achsen auftreten kann, (G) weitgehende Freiheit hinsichtlich der Montage, Befestigung und Spannung, (H) Möglichkeit der Herabsetzung des kritischen Überlastdrehmoments entsprechend der Drehzahl und (I) Einfachheit des konstruktiven Aufbaus, niedrige Fertigungskosten und lange Lebensdauer.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Frontansicht eines Drehmomentbe

grenzers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht, gesehen von der

linken Seite der Fig. 1,

030010/0863

Fig- 3 . einen Schnitt in Richtung der Pfeile

III-III der Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV

der Fig. 3,

Fig. 5k einen Teilschnitt zur Erläuterung der

Arbeitsweise des Begrenzers,

Fig. 5B einen Schnitt entlang der Linie V-V

der Fig. 5A,

Fig. 6k einen Teilschnitt, der die relative

Lage einer Nut und einer Drehmoment übertragenden Stahlkugel bei Überlast erkennen läßt,

Fig. 6B einen Schnitt entlang der Linie VI-VI

der Fig. 6k,

Fig. 7 einen Längsschnitt für den Fall eines

Winkelfehlers,

Fig. 8 einen Schnitt ähnlich Fig. 7 für den

Fall eines Parallelitätsfehlers,

030010/0863

Fig. 9 einen Schnitt ähnlich Fig. 8 für den

Fall eines Spaltfehlers,

Fig. 10 einen Längsschnitt einer abgewandel

ten Ausführungsform des Drehmomentbegrenzers nach der Erfindung,

Fig. 11 eine Frontansicht eines Drehmomentbe-

grenzers gemäß einer weiteren abgewandelten Ausführungsform, der mit einer erfindungsgemäßen elastischen Andrückeinrichtung für die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln ausgestattet ist,

Fig. 12 eine Seitenansicht, gesehen von der

linken Seite der Fig. 11,

Fig. 13 einen Schnitt in Blickrichtung der

Pfeile XIII-XIII der Fig. 12, und

Fig. 14 einen Schnitt entlang der Linie XIV-

XIV der Fig. 13.

Der Drehmomentbegrenzer sei zunächst anhand der Fign. 1 bis im einzelnen erläutert.

030010/0863

Der Drehmomentoegranzer sitzt an gegenüberliegenden Enden und entlang der geneinsamen Achse eines rotierend treibender: Bauteils α und eines getriebenen Bauteils b. Das treibende Bauteil α weist einen vorderen Endabschnitt von verringertem Durchmesser auf, der in die Bohrung la eines Sperrings 1 eingepaßt und dort mittels eines Keils festgelegt ist. Die Bohrung la des Sperrings hat innen einen etwas vergrößerten Durchmesser, um eine größere koaxiale Bohrung Ib zu erhalten. In dem zylindrischen Raum zwischen dieser Bohrung Ib und dem kleineren Durchmesser aufweisenden vorderen Endabschnitt des rotierend treibenden Bauteils α sitzen Spannelemente oder Spannringe 4 und ein Halteglied 3, das die Spanr.elemente 4 in Axialrichtung gegen die hintere Endwand des zylindrischen Raums preßt. Wie veranschaulicht, ist das Halteglied 3 becherförmig. Sein offenes Ende wird mit dem innenliegenden Ende des inneren Spannelements in Kontakt gehalten. Für diesen Zweck wird das Halteglied mittels Haltebolzen 2 an dem vorderen Ende des rotierend treibenden Bauteils α befestigt. Durch Spannen der Haltebolzen kann das becherförmige Halteglied die Spannelemente 4 zusammenpressen, um für eine vollkommene Verbindung zwischen dem treibenden Bauteil α und dem Sperring 1 zu sorgen. In ähnlicher Weise ist das getriebene Bauteil b mit einem hinteren Endabschnitt versehen, der in die Bohrung 5a eines Sperrings 5 eingesetzt ist. In einem zylindrischen Raum, der zwischen einem etwas vergrößerten Bohrungsteil 5b, der koaxial zu der Bohrung 5a liegt, und dem

030010/0863

getriebenen Bauteil b gebildet wird, befinden sich Spannelemente oder Spannringe 8, die mittels eines ringförmigen Haitegliedes 7 nach hinten gedrückt werden. Wie veranschaulicht, greift der zylindrische Teil des Haltegliedes teilweise in a'en zylindrischen Raum zwischen dem getriebenen Bauteil b und dem Sperring 5 ein. Er wird mit den Spannelementen 8 in Kontckt gehalten, während der Flanschteil des Haltegliedes mit Bohrungen versehen ist, durch die Haltebolzen 6 hindurchgreifen, welche das Halteglied 7 mit dem Sperring 5 verbinden. Wenn die Haltebolzen 6 angezogen werden, drückt das Halteglied 7 die Spannelemente 8 zusammen, wodurch für eine feste Verbindung zwischen dem getriebenen Bauteil b und dem Sperring 5 gesorgt wird.

An dem Sperring 5 ist über Klemmbolzen 10 ein Kupplungszylinder 9 befestigt, der so angeordnet ist, daß er mindestens einen Teil des Sperringes 1 übergreift, der auf dem rotierend treibenden Bauteil α sitzt. Der Kupplungszylinder 9 besteht aus einer Nabe 9a, die an dem Sperring 5 unmittelbar angebracht ist, und aus einem zylindrischen Ansatz 12, der von dem Außenumfang der Nabe 9a ausgeht und in axialer Richtung vorsteht. Der Innendurchmesser der Nabe 9a ist größer als der Außendurchmesser eines am vorderen Ende des Sperrings 1 vorgesehenen Abschnitts Ic mit gegenüber dem restlichen Teil des Sperrings größerem Durchmesser. Infolgedessen kann sich der Sperring 1 innerhalb des Kupplungszylinders 9 frei drehen. Ent-

030010/0863

lang dem Innenumfang der Nabe 9a des Kupplungszylinders sind mehrere radial verlaufende Nuten 21 ausgebildet. Passend zu diesen Nuten erstrecken sich im Querschnitt bogenförmige Ausnehmungen 20 in Axialrichtung am Außenurnfang des größeren Durchmesser aufweisenden Abschnitts Ic des Sperrings 1. Wie aus Fig. 4 hervorgeht, sind die Nuten 21 und die entsprechenden Ausnehmungen 20 paarweise radial fluchtend angeordnet, um elliptische Schlitze zu bilden. Der gegenseitige Abstand benachbarter Schlitzpaare, gemessen als Winkel in Umfangsrichtung, variiert jedoch. Aus dieser Beziehung folgt, daß die Nuten 21 des Kupplungszylinders 9 und die Ausnehmungen 20 des größeren Durchmesser aufweisenden Abschnitts Ic nur dann genau miteinander fluchten, wenn die beiden Bauteile die in Fig. 4 veranschaulichte gegenseitige Lage einnehmen. In denn elliptischen Schlitz, der von jeder Nut 21 und der zugehörigen Ausnehmung 20 gebildet wird, befindet sich zwecks Drehmomentübertragung eine Stahlkugel 22, die sich innerhalb der Nut 21 aus dem Eingriff mit der Ausnehmung 20 in Radialrichtung herausbewegen kann. Der radial außenliegende Teil jeder Nut 21, d.h. der Nabe 9a, ist bei 9b abgekantet, so daß die Stahlkugel 22 teilweise freiliegt. Über den Sperring 1 ist eine konische Schubhülse 13 geschoben, die aus einem Hülsenkörper 13b besteht, der den Sperring umgibt und koaxial zu diesem verläuft. Die Schubhülse 13 endet in einem Flansch 13a. Um die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln 22 zu haltern und den Kontakt mit diesen Stahlkugeln aufrechtzuerhal-

030010/0863

ten, ist der Flansch 13a an seinem vorderen Ende mit einer Ausnehmung in Form einer ringförmigen Schräge 13c versehen. Stahlkugeln 15 befinden sich in dem Raum zwischen der senkrechten hinteren Stirnseite 13d des Flanschs 13a und eir.em ringförmig abgeschrägten inneren Endabschnitt 12a des zylindrischen Ansatzes 12 des Kupplungszylinders 9. Die Stahlkugeln 15 werden mittels eines konischen Schubrings 14 gehalten, der einen ringförmig abgeschrägten äußeren Endabschnitt 14a aufweist und auf den Hülsenkörper 13b der Schubhülse 13 lose aufgesetzt ist. An der inneren Umfangsflache 12b des Ansatzes 12 befindet sich ein Anschlagring 11. Bei dieser Anordnung sind die Neigungswinkel, welche der ringförmig abgeschrägte innere Endabschnitt 12a des zylindrischen Ansatzes des Kupplungszylinders 9 und der ringförmig abgeschrägte äußere Endabschnitt 14a des Schubrings 14, die beide mit den Stahlkugeln 15 in Kontakt stehen, mit der Senkrechten bilden, in Fig. 5A mit©«' bzw./j bezeichnet. Der Schubring 14 ist mittels einer Drehmomentfeder 16 in Form einer Schraubenfeder axial nach vorne vorgespannt. Die Drehmomentfeder 16 ist ihrerseits zwischen dem Schubring 14 und einer Andruckmutter 17 gehalten, die-auf die Außenseite der Schubhülse 13 aufgeschraubt ist. Der Axialdruck P, der auf den Schubring 14 aufbringbar ist, läßt sich durch Drehen der Andruckmutter 17 einstellen. Zwischen der Andruckmutter 17 und der Drehmomentfeder 16 befinden sich Stahlkugeln 1? und ein sich nicht drehender Haltering 18, um ein stoßfreies Funktionieren der Andruckmutter 17 zu gewährleisten.

030010/0863

Auf die Schübhülse 13 wird eine Axialkraft von dem Schobring 14 über die Stahlkugeln 15 übertragen. Die Schubhülse 13 drückt ihrerseits die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln 22 in den Nuten 21 des Kupplungszylinders 9 radial nach innen und in Eingriff mit den Ausnehmungen 20 des Sperringes 1, wie dies in den Fign. 3 und 4 dargestellt ist.

Im folgenden sei die Funktionsweise des Drehmomentbegrenzers anhand der Fign. 3, 4, 5k, 5B, 6k und OB erläutert.

Antriebsenergie wird dem Drehmomentbegrenzer in der in Fig.3 dargestellten Lage über das rotierend treibende Bauteil a zugeführt. Die Energie wird Über den Sperring 1, die Stahlkugeln 22, den Kupplungszylinder 9 und den Sperring 5 auf das getriebene Bauteil b übertragen. Wenn dabei eine Belastung, die einen bestimmten Grenzwert überschreitet, zwischen den Bauteilen α und b auftritt, wird jede der Drehmoment übertragenden Stahlkugeln 22 veranlaßt, sich entsprechend den Fign. 5k und 5B in der radial nach außen weisenden Richtung des Pfeils Y gegen die Kraft zu bewegen, mit der die konische Schubhülse 13 die Kogel radial nach innen drückt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die zugeordnete Ausnehmung 20 des Sperrings 1 mit dem treibenden Bauteil α in der Richtung X rotiert. Die Bev/egung der Drehmoment übertragenden Stahlkugeln 22 in der Richtung Y ist von einer axialen Bewegung der Schubhülse 13 entgegen der Richtung des Pfeils S begleitet. Inzwischen werden die Stahlkugeln 15 durch die

030010/0863

senkrechte hintere Stirnseite 13d der Schubhülse 13 und den ringförmig abgeschrägten inneren Endabschnitt 12a des zylindrischen Ansatzes des Kupplungszylinders 9 derart geführt, cc.3 sie sich in der Richtung des Pfeils R in Kontakt mit der inneren Umfangsflache 12b des Ansatzes 12 bewegen. Dabei schieben sie den Schubring 14 unter Überwindung der Vor Spannkraft der Drehmomentfeder Ιό in der Richtung entgegengesetzt zu dem Pfeil S (vergleiche auch Fig. 6A). Schließlich sind, wie in den Fign. 6A und 6B dargestellt ist, die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln 22 außer Eingriff mit den Ausnehmungen 20, so daß sich das treibende Bauteil α im Leerlauf drehen kann. Die Kraftübertragung von dem treibenden Bauteil α auf das getriebene Bauteil b ist damit unterbrochen.

Die Funktionen des erläuterten Drehmomentbegrenzers sind im folgenden im einzelnen beschrieben.

Drehmomentübertragung und Unterbrechung dieser Übertragung

Wie bereits erläutert, trägt der Sperring 1 auf dem rotierend treibenden Bauteil α an seinem Außenumfang die axial verlcufenden, bogenförmigen Ausnehmungen 20, während am Innenumfang des das treibende Bauteil umfassenden Kupplungszylinders 9 die radial gerichteten Nuten 21 ausgebildet sind. In den Schlitzen, die von den axial verlaufenden, bogenförmigen Ausnehmungen und den radialen Nuten gebildet werden, sitzen die

030010/0863

Drehmoment übertragenden Stahlkugeln 22 derart, daß sie sich nur radial bewegen können, dagegen an einer Bewegung in Umlaufrichtung und in Axialrichtung gehindert sind. Die Stahlkugeln werden mittels der elastischen Andruckeinrichtung diametral nach innen gepreßt; die Kugeln können sich um ihre eigene Achse drehen; durch das Andrücken wird das zu übertragende kritische Drehmoment bestimmt. Bei diesem Aufbau des Begrenzers können das treibende und das getriebene Bauteil in drehfester Verbindung rotieren. Wenn zwischen den beiden Bauteilen ein Drehmoment auftritt, das den voreingestellten kritischen Wert überschreitet, überwinden die gegen die bogenförmigen Ausnehmungen des treibenden Bauteils gepreßten Stahlkugeln den Einfluß der elastischen Andruckeinrichtung; sie bewegen sich entlang den gegenüberliegenden Nuten radial nach außen, so daß das treibende Bauteil und das getriebene Bauteil frei gegeneinander rotieren können.

Kupplungsfunktion und Aufnahme von Fehlausrichtungen

Der Betrag der relativen axialen Versetzung ν zwischen dem treibenden und dem getriebenen Bauteil (Fig. 9) wird dadurch aufgenommen und zu Null gemacht, daß sich die Stahlkugeln in Reibeingriff mit den Nuten bewegen, während sie mittels der elastischen Andruckeinrichtung gegen die axial verlaufenden, bogenförmigen Ausnehmungen gepreßt werden, die am Umfang des treibenden Bauteils ausgebildet sind. Auch der Betrag an re-

030010/0863

iativer diametraler Versetzung (CO) zwischen dem treibenden und dem getriebenen Bauteil (Fig. 8) wird elastisch absorbiert, indem die Stahlkugeln, die mittels der elastischen Andruckeinrichtung diametral nach innen gegen die an der Innenseite des getriebenen Bauteils eingearbeiteten, radial verlaufenden Nuten gepreßt werden, die Elastizität überwinden und sich gerade um den Betrag der Versetzung entlang den Nuten verschieben.

Ferner wird der Neigungsfehler (Θ) mit Bezug auf das gemeinsame Rotationszentrum des treibenden und des getriebenen Bauteils (Fig. 7) durch die gleichzeitige axiale Reibungsbewegung und die diametrale elastische Bewegung der Stahlkugeln korrigiert. Auf diese Weise können Fehlausrichtungen, die zwischen den beiden Achsen auftreten können (d.h., die Fehler hinsichtlich der Neigung (Θ), der Parallelität (U)) und des Spalts (γ) zwischen den beiden Wellen) aufgefangen werden.

Minimiertes Spiel und Unregelmäßigkeit der Drehung

Das treibende Bauteil mit den an seinem Umfang vorgesehenen, sich axial erstreckenden, bogenförmigen Ausnehmungen und das getriebene Bauteil mit den den Ausnehmungen entsprechenden, radial verlaufenden Nuten haben solche Konturen, daß mit Hilfe von einfachen Bearbeitungsmitteln die Ausnehmungen und die entsprechenden Nuten gleichlaufend ausgebildet werden und

030010/0863

- 15 -

exakt fluchtend aufeinander abgestimmt sind, wenn die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln, deren Durchmesser gleich der Breite der Ausnehmungen und Nuten ist, in die Schlitze eingesetzt werden, die von den Paaren aus Ausnehmungen und Nuten gebildet werden. Die Anwendung der elastischen Andruckeinrichtung reduziert das Spiel zwischen dem treibenden und dem getriebenen Bauteil in der Drehrichtung auf ein Minimum, so daß eine Drehbewegung nach Art einer drehfesten Verbindung exakt übermittelt werden kann. Ein weiteres Merkmal besteht darin, daß durch Erhöhen der Anzahl der Ausnehmungen und Nuten und auch der Anzahl der entsprechenden Stahlkugeln Ungleichmäßigkeiten der Drehbewegung bei der Drehmomentübertragung minimiert v/erden, selbst wenn Fehlausrichtungen zwischen den beiden Wellen vorliegen.

Einpunkt-Stellvorrichtung

Die von den Ausnehmungs- und Nutpaaren gebildeten Schlitze und die den Schlitzen zugeordneten, Drehmoment übertragenden Stahlkugeln sind winkelmäßig ungleichförmig verteilt. Das bedeutet, daß der beschriebene Drehmomentbegrenzer die Funktion einer Einpunkt-Stellvorrichtung hat. Wenn der Begrenzer bei Auftreten einer Überlast die Drehmomentübertragung einmal unterbrochen hat, erfolgt ein Zurückstellen nur zu der Stellung, wo die Unterbrechung bewirkt wurde.

030010/0863

Einstellung des kritischen Drehmoments

Die elastische Andruckanordnung stellt eine Einrichtung dar, mittels deren die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln, die an dem Außenumfang des Sperringes mit den axial verlaufenden, bogenförmigen Ausnehmungen sitzen und in den Radialnuten des Kupplungszylinders angeordnet sind, dessen rcdial verlaufende Nuten auf die Ausnehmungen abgestimmt sind, in konzentrischen Richtungen elastisch mit Kraft beaufschlagt werden. Der Aufbau ist so getroffen, daß die Axialkraft des konischen Schubringes unter dem Einfluß der Drehmomentfeder die Stahlkugeln, die zwischen der konischen Schubhülse und dem konischen Schubring gehalten sind, aufgrund des Kontaktwinkels zwischen den beiden konischen Schubelementen diametral nach außen schiebt, bis die Kugel mit dem abgeschrägten Abschnitt an der Innenseite des Kupplungszylinders in Kontakt kommt. Infolgedessen bewegt eine Komponente der Kraft die konische Schubhülse axial nach vorne, so daß die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln, die mit dem abgeschrägten Abschnitt der konischen Schubhülse in Kontakt stehen, konzentrisch mit Kraft beaufschlagt werden. Die Justierung der kritischen Drehmomenteinstellung erfolgt durch Drehen der auf die konische Schubhülse aufgeschraubten Andruckmutter, wodurch der auf die Drehmomentfeder ausgeübte Druck erhöht oder vermindert wird.

030010/0863

Im Falle einer Überlast wirken die gegen die bogenförmigen Ausnehmungen des Sperrings gepreßten Stahlkugeln der elastischen Andruckanordnung entgegen; sie bewegen sich von den Ausnehmungen weg, während sie den konischen Schubring axial zurückschieben, wodurch die Drehmomentübertragung unterbrochen wird.

Ausrückfunktion

Der Drehmomentbegrenzer umfaßt einen Mechanismus, der bewirkt, daß der Begrenzer, nachdem die Unterbrechung der Drehmomentübertragung erfolgt ist, die Drehmomentübertragung nicht wiederaufnimmt, falls nicht eine externe Kraft aufgebracht wird. Die Überlastausrückfunktion wird von der elastischen Andrückeinrichtung im Zusammenwirken mit dem flachen Abschnitt I2b benachbart dem abgeschrägten Abschnitt 12a an der Innenseite des Kupplungszylinders 9 ausgeführt.

Das Ausrücken beim Auftreten einer Überlast geschieht in der folgenden Weise. Die gegen die bogenförmigen Ausnehmungen des Sperringes angepreßten Stahlkugeln überwinden den von der elastischen Andruckanordnung ausgeübten Druck und bewegen sich radial entlang den Nuten des Kupplungszylinders. Dementsprechend wird die konische Schubhülse, deren konischer Abschnitt mit den Kugeln in Kontakt steht, axial nach hinten geschoben. Andererseits bewegen sich die zwischen dem koni-

030010/0863

sehen Schubring und der konischen Schubhülse sitzenden Stahlkugeln radial nach innen, während die Drehmomentfeder zuscmmengedrückt wird, und zwar ungeachtet des elastischen Druckes, der von der Andruckmutter und der Drehmomentfeder ausgeübt wird. Die Kugeln wandern daher entlang dem abgeschrägten Teil 12a an der Innenseite des Kupplungszylinders und entlang dem daran anschließenden flachen Abschnitt 12b. Infolgedessen üben die diametral nach außen gerichteten Kräfte der Stahlkugeln keine axiale Kraft auf die konische Schubhülse aus, und die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln legen sich selbst dann nicht in die bogenförmigen Ausnehmungen des Sperringes ein, nachdem die Überlast verschwunden ist (vergleiche Fig. 6A).

Wenn der Drehmomentbegrenzer zurückgestellt wird, braucht die elastische Andruckeinrichtung nur irgendwie in die Ausgangsstellung zurückgeschoben zu werden.

Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform des Drehmomentbegrenzers, die sich von der ersten Ausführungsform einfach dadurch unterscheidet, daß das rotierend treibende Bauteil und das getriebene Bauteil in ihrer Relativlage gegeneinander vertauscht sind. Infolgedessen wird das Drehmoment in entgegengesetzter Richtung übertragen, d.h. von dem rotierend treibenden Bauteil a¹, welches das getriebene Bauteil b der vorhergehenden Ausführungsform ersetzt, zu dem getriebenen

030010/0863

Bauteil b', das an Stelle des treibenden Bauteils α vorgesehen ist. Die Drehmomentübertragung erfolgt über den Kupplungszylinder 9 una die Stahlkugeln 22. Wenn ein Drehmoment, das einen gewissen Grenzwert überschreitet, zwischen derr. treibenden Bauteil und dem getriebenen Bauteil auftritt, beweger sich die gegen die bogenförmigen Ausnehmungen des getriebenen Bauteils b¹ gepreßten, Drehmoment übertragenden Stchlkugeln 22 entlang den radialen Nuten 21 des rotierend treibenden Bauteils radial nach außen entgegen der Wirkung der elastischen Andrückeinrichtung, wodurch das treibende Bauteil a¹ veranlaßt wird, lastfrei zu laufen, und wodurch die Kraftübertragung von dem treibenden Bauteil a¹ auf das getriebene Bauteil b¹ unterbrochen wird. Es versteht sich, daß bei dieser Ausführungsform der Drehmomentbegrenzer in der gleichen Weise arbeitet v/ie im Falle der oben erläuterten ersten Ausführungsform.

Die Fign. 11 bis 14 zeigen eine abgewandelte Ausführungsform der elastischen Andruckeinrichtung, welche die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln entlang den in dem rotierend treibenden Bauteil ausgebildeten radialen Nuten radial nach innen preßt. Mit Ausnahme der elastischen Andruckeinrichtung sind die anderen Teile die gleichen wie diejenigen des in Fig. 3 gezeigten Drehmomentbegrenzers. Diese Teile sind infolgedessen mit den gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals im einzelnen diskutiert.

030010/0863

Bei dem abgev/andelten Drehmomentbegrenzer sind, wie insoesondere aus Fig. 13 hervorgeht, mehrere axial verlaufende, bogenförmige Ausnehmungen 20 am Außenumfang des Sperrings 1 ausgebildet, der das rotierend treibende Bauteil α umfaßt. Mehrere axial verlaufende Nuten 21, die auf die bogenförmigen Ausnehmungen 20 des auf dem rotierend treibenden Bauteil α sitzenden Sperringes 1 abgestimmt sind, sind an der Innenseite des Sperringes 5 vorgesehen, der auf das dem treibenden Bauteil α gegenüberliegende getriebene Bauteil b aufgesetzt ist. In jeder der radialen Nuten 21 befindet sich eine Drehmoment übertragende Stahlkugel, die sich nur radial und um ihre eigene Achse drehen kann, die jedoch an einer Bewegung in Umlauf- und Axialrichtung gehindert ist. Diese Drehmoment übertragenden Stahlkugeln 22 werden mittels einer elastischen Andruckeinrichtung diametral nach innen vorgespannt. Die Andruckeinrichtung besteht aus Tellerfedern 16', einer Andruckmutter 17, einem konischen Schubring 14, einer Gruppe von kleinen Schubkugeln 15 aus Stahl und einem konischen Schubring 13'. Befinden sich die Stahlkugeln 22 in den in den Fign. 13 und 14 gezeigten Stellungen, sind das rotierend treibende Bauteil α und das getriebene Bauteil b drehfest miteinander verbunden.

Im folgenden sei die elastische Andruckeinrichtung näher erläutert. Ein Kupplungszylinder 9¹ ist über Klemmbolzen 10 on dem über das getriebene Bauteil b geschobenen Sperring 5 be-

030010/0863

festigt. Der Kupplungszylinder ?' weist drei Abschnitte auf, und zwar eine rait radial verlaufenden Nuten 21 versehene Nabe 9'a, eine mit der Nabe 9'a entlang ihrem Innenurnfang verbundene Hülse 9'c und einen zylindrischen Ansatz 12', der mit der Nabe 9'a entlang deren Außenumfang in einteiliger Verbindung steht. Zwischen der Nabe 9'a und dem Außenumfang der Hülse 9'c befindet sich eine ringförmig abgeschrägte Fläche 9'd. Der Innenumfang der Hülse 9'c umgibt den auf dem rotierend treibenden Bauteil α sitzenden Sperring 1. Der konische Schubring 13' sitzt in einem Ringraum, der von dem zylindrischen Ansatz 12', der Nabe 9'a und der Hülse 9'c des Kupplungszylinders 9' begrenzt wird. Der konische Schubring 13' umfaßt gleichfalls drei Abschnitte, und zwar einen ringförmigen, schrägen Rand 13'c, der mit den Drehmoment übertragenden Stahlkugeln 22 in Berührung steht, einen entgegengesetzt zu dem schrägen Rand 13'c gerichteten, ringförmigen schrägen Rand 13'a und einen flachen inneren Umfangsabschnitt 13'b, der die beiden schragen Ränder 13'c und 13'a verbindet. In dem Raum zwischen dem ringförmigen schrägen Rand 13'a des konischen Schubrings 13' und der ringförmigen abgeschrägten Fläche 9'd befinden sich die kleinen Stahlkugeln 15, die mittels des konischen Schubrings 14 gehaltert werden, der auf den Außenumfang der Hülse 9'c des Kupplungszylinders 9' lose aufgesetzt ist. Der Schubring 14 wird gegen die kleinen Stahlkugeln 15 mittels der Andruckmutter 17 angepreßt, die auf die Außenseite des inneren hülsenförmigen Abschnitts 9'c des

030010/0863

Kupplungszylinders 9' aufgeschraubt ist. Infolgedessen wird eine axiale Kraft von dem Schubring 14 über die Stahlkugeln 15 auf den Schubring 13' übertragen. Die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln 22 werden unter dem Einfluß des konischen Schubrings 13' in den Nuten 21 des Kupplungszylinders 9' radial nach innen vorgespannt. Sie kommen dabei mit den Ausnehmungen des Sperrings 1 in Eingriff, wie dies in den Fign. 13 und 14 dargestellt ist. Ein Anschlagring 11 ist zwischen dem Schubring 14 und den Tellerfedern 16' auf der Hülse 9'c des Kupplungszylinaers 9' befestigt.

Während des normalen, überlastfreien Betriebs der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind die kleinen Stchlkugeln von drei Abschnitten abgestützt, und zwar dem flachen Abschnitt 14a des Schubrings 14, dem abgeschrägten Abschnitt 13'a des Schubrings 13 und dem abgeschrägten Abschnitt 9'd des Kupplungszylinders 9'. Bei einer Störung· oder bei Auftreten einer Überlast bewegen sich die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln 22 entgegen der Wirkung der elastischen Andruckeinrichtung radial entlang den Nuten 21. Dabei verlagern sich die Kontaktpunkte der kleinen Schubkugeln 15 von dem abgeschrägten Abschnitt 13'a auf den Innenumfang 13'b des Schubrings 13', bis der von den Tellerfedern 16' und der Andruckmutter 17 ausgeübte Druck nicht mehr auf die Stahlkugeln 22 übertragen wird. Dieser Freigabe- oder Ausrückmechanismus bringt die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln elastisch und

030010/0863

sicher entweder in die Ruhestellung oder in die Arbeitsstellung. Dies gewahr leistet einen stoßfreien und wirkungsvollen Betrieb des Drehmorrier.tbegrenzers.

030010/0863

-3V -

e e r s e

ite

Claims

PATENTANWALT DIPL.-INC. CEKHAKD SCHWAN ELFENSTRASSE32 · D-80DQ MÜNCHEN 83 Ansprüche

1. Drehmomentbegrenzer, dadurch gekennzeichnet, daß am Aussenumfang eines über ein rotierend treibendes Bauteil (a) geschobenen Sperringes (1) eine Mehrzahl von axial verlaufenden, bogenförmigen Ausnehmungen (20) ausgebildet ist, daß eine Mehrzahl von radial gerichteten, auf die bogenförmigen Ausnehmungen des Sperringes abgestimmten Nuten (21) am Innenumfang eines Sperringes (5) vorgesehen ist, der über ein dem treibenden Bauteil gegenüberliegendes getriebenes Bauteil (b) geschoben ist, daß in jede der radialen Nuten (21) eine Drehmoment übertragende Stahlkugel (22) derart eingesetzt ist, daß sie sich nur radial bewegen und um ihre eigene Achse drehen kann, während ihre Bewegung in Umlaufrichtung und in Axialrichtung beschränkt ist, und daß die Stahlkugeln (22), solange sie ein kleineres als ein vorgegebenes kritisches Drehmoment übertragen, mittels einer elastischen Andruckeinrichtung (13, 13', 14, 15, 16, 16', 17) unter drehfester Verbindung von treibendem Bauteil und getriebenem Bauteil diametral nach innen vorgespannt bleiben.

2. Drehmomentbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierend treibende Bauteil (a¹) und das ge-

0300 1 0/08fc»3

FERNSPRECHER: 0S9/6012039 · KABEL·. ELECTRICPATENT MÜNCHEN

triebene Bauteil (b¹) gegeneinander vertauscht sind.

3. Drehmomentbegrenzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bogenförmigen Ausnehmungen (20) und die radialen Nuten (21) jeweils zu Mehreren in einer ungeradzahligen Anzahl vorgesehen sind.

4. Drehmomentbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Auftreten eines den kritischen Drehmomentwert überschreitenden Drehmoments zwischen dem rotierend treibenden Bauteil (a) und dem getriebenen Bauteil (b) die Drehmoment übertragenden, gegen die bogenförmigen Ausnehmungen (20) des treibenden Bauteils und die radialen Nuten (21) des getriebenen Bauteils angepreßten Stahlkugeln (22) die Wirkung der elastischen Andruckeinrichtung (13, 13', 14, 15, 16, Ιό¹, 17) überwinden und entlang den Radialnuten radial nach außen wandern, so daß das treibende Bauteil und das getriebene Bauteil sich gegeneinander drehen können.

5. Drehmomentbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Andruckeinrichtung aus einer Druckfeder (Ιέ, Ιό¹), einer Andruckmutter (17), einem ersten konischen Schubring (14), einer Gruppe von kleinen Schubkugeln (15) aus Stahl und einem zweiten konischen Schubring (13, 13') besteht, daß mittels

030010/0863

Klemmbolzen (10) ein Kupplungszylinder (9, 9') an dem
über das getriebene Bauteil (b) geschobenen Sperring
(5) befestigt ist, und daß die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln (22) mittels der elastischen Andruckeinrichtung gegen eine schräge Kante (13c, 13'c) des zweiten konischen Schubrings gedrückt sind, der in einen
zylindrischen Ansatz (12, 12') des Kupplungszylinders
eingepaßt ist.

6. Drehmomentbegrenzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Druckbeaufschlagung der Drehmoment übertragenden Stahlkugeln (22) durch Anpressen des ersten konischen Schubringes (14) und der Gruppe aus kleinen Stahlkugeln (15) gegen eine schräge Kante (13'a) an der Innenseite des zweiten konischen Schubringes (13¹) mittels der Druckfeder (16') unter dem Einfluß der Andruckmutter (17) erfolgt, die mit der Außenseite eines inneren Hülsenabschnitts (9'c) des Kupplungszylinders (9¹) verschraubt ist.

7. Drehmomentbegrenzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das rotierend treibende Bauteil (a, a¹) und der zugehörige Sperring (1, 5) mit
Hilfe von Verbindungsglieder bildenden Spannelementen
(4, 8) fest zusammengehalten sind, und daß das getriebene Bauteil (b, b¹) und der zugehörige Sperring (5, 1)

030010/0863

gleichfalls mit Hilfe von als Verbindungsglieder wirkenden Spannelementen (8, 4) zusammengehalten sind.

8. Drehmomentbegrenzer nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß an dem inneren Hülsenabschnitt (9'c) des Kupplungszylinders (9¹) zwischen dem ersten konischen Schubring (14) und der Druckfeder (16¹) ein Anschlagring (11) befestigt ist.

9. Drehmomentbegrenzer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ausrückeinrichtung vorgesehen ist, welche die Gruppe von kleinen Schubkugeln (15) aus Stahl aufweist, die einer von der Druckfeder (Ιό¹) und der Andruckmutter (17) erzeugten, axialen elastischen Kraft ausgesetzt sind und die während des normalen Betriebs oder in Abwesenheit einer Überlast durch einen flachen Abschnitt (14a) des ersten konischen Schubringes (14), einen abgeschrägten Abschnitt (13'a) des zweiten konischen Schubringes (13¹) und einen abgeschrägten Abschnitt (9'd) des Kupplungszylinders (9¹) abgestützt sind, und daß im Falle eines anormalen Betriebes oder bei Auftreten einer Überlast durch Bewegung der Drehmoment übertragenden Stahlkugeln entgegen der Wirkung der elastischen Andruckeinrichtung radial entlang den Nuten (21) und durch Verschieben der Kontaktpunkte der Stahlschubkugeln (15) von dem abgeschrägten Abschnitt (13'a)

030010/0863

_ 5 „

des zweiten konischen Schubringes (13¹) zu dem Innenumfang (13'b) dieses Ringes eine Unterbrechung der Übertragung des von der Druckfeder und der Andruckmutter ausgeübten Druckes auf die Drehmoment übertragenden Stahlkugeln (22) erfolgt.

030010/0863