DE3042398C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lastdrehmomentsperre gemäß dem Oberbegriff des A.1. Die Lastdrehmomentsperre ermöglicht als doppelt wirkender Freilauf die Positionssicherung einer drehbaren Welle in beiden Drehrichtungen und den Antrieb dieser drehbaren Welle in beiden Drehrichtungen.

Die in vielen Gebieten des Maschinenbaus eingesetzten normalen, einseitig wirkenden Freiläufe gestatten die Drehbewegung einer Welle nur ein einer Drehrichtung, während in der anderen Drehrichtung die Drehbewegung dieser Welle gesperrt wird. Die Positionierung der Welle findet hierbei also nur in einer bestimmten Drehrichtung statt.

Es gibt zahlreiche Einsatzfälle, bei denen für verstellbare Maschinen oder Geräte eine Positionierung in beiden Drehrichtungen verlangt wird.

Das bedeutet, daß das als Stellglied infrage kommende Maschinenteil, z. B. ein mit einer drehbaren Welle verbundener kippbarer Behälter, in beiden Drehrichtungen ungehindert angetrieben werden kann, während rückwirkend vom Stellglied auf die Welle wirkende Rück-Drehmomente in beiden Drehrichtungen gesperrt werden müssen.

Derartige Sperren können auch als selbsttätig schaltende, doppelt wirkende Freiläufe angesehen werden.

Aus den geschilderten Anforderungen erklärt sich die für ein solches Konstruktionselement verwendete Bezeichnung "Lastdrehmomentsperre".

Zusammenfassend kann gesagt werden, daß vom Antrieb zum Abtrieb einer Lastdrehmomentsperre eine Drehbewegung und damit auch ein Drehmoment in beiden Drehrichtungen übertragen werden kann, während umgekehrt eine Drehbewegung und damit auch ein Drehmoment in beiden Drehrichtungen vom Stellglied her, also vom Abtrieb zum Antrieb einer Lastdrehmomentsperre nicht übertragen werden kann. In beiden Drehrichtungen tritt jetzt durch Sperren der Lastdrehmomentsperre eine Positionierung der Abtriebswelle und damit des Stellgliedes ein.

Es ist bekannt, Lastdrehmomentsperren unter Verwendung einer zylindrischen Drehfeder (Schrauben-Drehfeder) mit nach innen umgebogenen Federenden für unterschiedliche Einsatzfälle zu verwenden.

Aus der DE-PS 9 75 780 ist eine derartige Lastdrehmomentsperre für das Verstell- und Arretiervorgelege der verstellbaren Lehne eines Sitzes von Kraftfahrzeugen bekannt. Die Sperrenkonstruktion der angeführten DE-PS 9 75 780 und die beschriebene ebenfalls bekannte Ausführung einer Lastdrehmomentsperre entsprechen in Aufbau und Funktion einander.

Beide Sperrenkonstruktionen weisen gleichermaßen folgende Nachteile auf:

• - Bei abtriebsseitiger Überlastung, z. B. durch hohe Drehmomentenstöße T_ab, besteht die Gefahr, daß die nach innen umgebogenen Federenden durch das auf das jeweils beaufschlagte Federende wirkende Kräftepaar (vergl. Fig. 1, Seitenansicht) elastisch oder auch plastisch nachgeben und sich durch dieses Biegemoment weiter verbiegen:
  Hierdurch wird u. a. das Spiel a verkleinert und leicht ein gefährlicher Zustand erreicht, in dem die Entsperrfunktion bzw. die Sperrfunktion aufgehoben werden, da die oben beschriebene Bedingung a<b<c nicht mehr erfüllt ist.
  Da Lastdrehmomentsperren fast immer wichtige Sicherheitsbauteile mit der Forderung nach absoluter Betriebssicherheit sind, ist dieser Nachteil als besonders schwerwiegend anzusehen.
• - Die Lastdrehmomentsperren der bekannten Bauart haben verhältnismäßig große Abmessungen (Durchmesser und Breite) und verhältnismäßig große Gewichte, wenn die Abmessungen der für ein bestimmtes übertragbares Abtriebsmoment T_ab ausgewählten Drehfeder 3 verglichen werden mit dem Durchmesser der Abtriebswelle 2.
  Das Ziel muß eine ausgeglichene, kompakte Konstruktion sein, die auf der Grundlage gleicher Abmessungen der Drehfeder ein viel höheres übertragbares Abtriebsmoment T_ab mit entsprechend größeren Wellendurchmessern von Abtriebswelle und Antriebswelle.
  Die Lastdrehmomentsperre wird dann kleiner, leichter und kostengünstiger.
• - Beim Durchtreiben der Lastdrehmomentsperre von der Antriebsseite her, dreht sich die vorgespannt eingesetzte Drehfeder 3 in der Bohrung des feststehenden Ringes 4 mit der Drehzahl von An- und Abtriebswelle mit.
  Hierbei treten abhängig von der aus dem Vorspannmoment herrührenden Anpressung der Drehfeder 3 in der zylindrischen Bohrung und abhängig von der Umfangsgeschwindigkeit (Drehzahl und Bohrungsdurchmesser) Reibung und Verschleiß auf.
  Die Folgen können ein zu starkes Erwärmen der Lastdrehmomentsperre verbunden mit unzulässigem Energieverlust und unerwünschtem Verschleiß in der Bewegungsfuge sein.
  Dieser Nachteil tritt schon bei sehr kleinen Drehzahlen des Durchtreibens deutlich in Erscheinung bei den verhältnismäßig großen Abmessungen (Durchmesser und Breite) der beschriebenen bekannten Konstruktion einer Lastdrehmomentsperre mit Drehfeder.
• - Bei der bekannten Lastdrehmomentsperre hat die Drehfeder 3 eine größere Anzahl zur Drehmomentübertragung erforderlicher federnder Windungen, z. B. zwischen 5 und 6 Windungen.
  Die für das Funktionieren einer solchen Sperre notwendigen Tangentialsperre a und b sind für Einsatzfälle mit der Forderung nach einer besonders spielarmen Positionierung der Abtriebswelle 2 in beiden Drehrichtungen vielfach zu groß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den zuerst geschilderten Nachteil zu beseitigen und damit eine Lastdrehmomentsperre zu schaffen, die zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe und erfindungsgemäß bei einer gattungsgemäßen Drehmomentsperre durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Mit den Federenden werden Endstücke 7 reibschlüssig und/oder formschlüssig verbunden.

Solche Endstücke können auch durch eine entsprechende Formgebung der Federenden selbst (z. B. Anstauchen) gebildet werden.

Diese Endstücke 7 werden in jedem Fall derart geformt, daß die Einleitung der Umfangskraft F_u des Abtriebsmomentes T_ab (Sperrmoment) beim Sperren tangential mit möglichst großem Hebelarm, also nach Möglichkeit im Bereich des mittleren Federradius D_m/2 erfolgt. Hierdurch wird u. a. bei abtriebsseitigen Sperren bei der Krafteinleitung der Umfangskraft F_u in das infrage kommende Endstück und in das Federende der Drehfeder 3 das Auftreten eines Kräftepaares verhindert, so daß kein Biegemoment auf das Federende wirken kann. Die unbedingt zu fordernde Relation der Tangentialspiele a<b<c bleibt auch bei Überlastung z. B. durch Drehmomentspitzen erhalten, wodurch sichergestellt ist, daß die Funktion der Lastdrehmomentsperre stets gewährleistet ist.

Weiterhin ist wichtig, daß durch die bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Federenden und der Endstücke 7 gegebene tangentiale Einleitung der Umfangskraft F_u mit möglichst großem Hebelarm im Bereich von DM/2 das übertragbare Sperrmoment (Abtriebsmoment T_ab) bei sonst gleichen Federabmessungen (Durchmesser D_m und d, Anzahl der Federwindungen) durch eine verbesserte Verteilung der Pressung zwischen Drehfeder 3 und Bohrung im Ring 4 mindestens auf den 2fachen Wert ansteigt.

Das bedeutet, daß die Lastdrehmomentsperre mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Merkmalen, verglichen mit den Sperren der bekannten Bauweise, bei gleichen übertragbaren Sperrmomenten T_ab im Durchmesser kleiner und/oder mit weniger federnden Windungen ausgeführt und/oder mit kleinerem Vorspannmoment eingesetzt werden können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Seiten- und Vorderansicht im Schnitt einer bekannten Lastdrehmomentsperre und

Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt und eine Einzelheit der erfindungsgemäßen Lastdrehmomentsperre.

Anhand von Fig. 1 wird jetzt die bekannte Lastdrehmomentsperre erläutert, die für den Einsatz bei der Antriebs- und Positioniereinrichtung einer kippbaren Behälters (z. B. einer Gießpfanne) bestimmt ist.

Die Hebelnabe 1 ist mit der Abtriebswelle 2 verbunden, welche das in beiden Drehrichtungen zu positionierende Stellglied (z. B. den mit der Abtriebswelle gekuppelten kippbaren Behälter) darstellt.

Die zylindrische Drehfeder 3 mit den beiden nach innen umgebogenen Federenden sitzt unter Vorspannung in der gehärteten und geschliffenen Zylinderbohrung des Ringes 4. Dieser Ring ist fest mit dem Gehäuse 5 verbunden.

Beim Sperren des auf die Abtriebswelle der Lastdrehmomentsperre wirkenden Abtriebsdrehmomentes T_ab wird die Drehfeder 3 durch das Andrücken der Hebelnabe 1 an der Anschlagstelle A - wenn das Abtriebsdrehmoment T_ab rechtsdrehend ist - am beaufschlagten, nach innen umgebogenen Federende zusätzlich auseinandergespreizt und gegen Verdrehen im Ring 4 reibschlüssig gesperrt, weil der Reibschluß der unter Vorspannung in der zylindrischen Bohrung sitzenden Drehfeder durch das Andrücken enorm verstärkt wird, wobei die Pressung der Federwindungen gegen die Innenfläche der Bohrung von dem Federende, welches die Umfangskraft aufnimmt, bis zum anderen, dem freien Federende, abnimmt.

Die Antriebswelle 6 ist im Bereich der beiden nach innen umgebogenen Federenden als geschlitzte Hülse derart ausgebildet, daß die Drehfeder 3 über die jeweilige Anschlagstelle - in Fig. 1 Anschlagstelle B, wenn das Antriebsdrehmoment T_an rechtsdrehend ist - am infragekommenden, nach innen umgebogenen Federende entspannt werden kann.

Der Reibschluß wird dadurch gelockert, und die Drehfeder 3 kann bei Überwindung des noch verbleibenden Vorspanndrehmomentes von der Antriebswelle 6 mitgeschleppt, d. h. durchgedreht werden.

Das Antriebsdrehmoment T_an wird in diesem Betriebszustand des Durchtreibens über das jeweils anliegende, nach innen umgebogene Federende von der Antriebswelle 6 zur Abtriebswelle 1, 2 unmittelbar formschlüssig über die Anschlagstelle B übertragen. Eine Lastdrehmomentsperre der beschriebenen Art kann nur dann zuverlässig arbeiten, wenn für die Spiele (Tangentialspiele, Verdrehspiele) folgende, hier vereinfacht wiedergegebene Bedingungen erfüllt sind:

a<b<c

Nur dann kann beim Sperren das volle Abtriebsdrehmoment T_ab in beiden Drehrichtungen in allen möglichen Betriebszuständen ohne Behinderung durch die Anschlagflächen der geschlitzten Hülse der Antriebswelle 6 abgebremst, also gesperrt werden.

Analog gilt beim Durchtreiben, daß nur dann, wenn die genannte Bedingung erfüllt ist, die Drehfeder 3 einwandfrei entsperrt wird, und das Antriebsdrehmoment T_an in beiden Drehrichtungen ohne Behinderung durch die Anschlagflächen der geschlitzten Hülse der Antriebswelle 6 von der Antriebswelle zur Abtriebswelle 1, 2 übertragen werden kann.

Die Spiele a und b sind in Fig. 1, Seitenansicht, eingezeichnet und entstehen, wenn bei leichter Rechtsdrehung der Abtriebswelle 1, 2 und der Antriebswelle 6 Berührung an den Anschlagstellen A und B gegen die nach innen umgebogenen Federenden der unter Vorspannung in der zylindrischen Bohrung des Ringes 4 sitzenden Drehfeder 3 eintritt, bevor eine Drehmomentübertragung von T_an und/oder T_ab vorliegt.

Das Spiel a muß größer sein als der Verschiebeweg c, den das belastete Federende an der Anschlagstelle A beim Sperren zum Aufbau der zusätzlichen Reibung zwischen Federwindungen und Bohrung zurücklegt, damit beim Sperren ein gleichzeitiges Entsperren der Drehfeder nicht eintreten kann.

Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausbildung der Endstücke 7, welche funktionsmäßig dem umgebogenen Teil der beiden Federenden der Drehfeder der bekannten Ausführung der Lastdrehmomentsperre für den Betriebszustand des Durchtreibens entspricht.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist es erforderlich, daß beim Durchtreiben, also bei der Drehmomentübertragung vom Antrieb zum Abtrieb, die im Bereich der beiden Federenden als geschlitztes Hülse ausgebildete Antriebswelle 6 das Endstück 7 durch Berührung an seiner inneren Anschlagstelle B die Drehfeder 3 mitschleppt und dabei auch die zur Übertragung des Drehmomentes T_an erforderliche Umfangskraft in das Endstück 7 einleitet.

Durch die Berührung des Endstückes 7 an der äußeren Anschlagstelle A mit der Hebelnabe 1 erfolgt die Übertragung der beim Durchtreiben von T_an auftretenden Umfangskraft und damit des Drehmomentes T_an zur Abtriebswelle 2.

Eine Ausführungsform der Endstücke 7 sind die erfindungsgemäß nach Anspruch 2 vorgeschlagenen geschlitzten oder geteilten Klemmstücke, für die ein Ausführungsbeispiel in Fig. 2, Ansicht C-D, wiedergegeben wird.

Kennzeichnend ist hierbei, daß das auslaufende Federende in seiner vollen Länge bis zum Federabschluß, und daß nicht der außenliegende Rücken des Endstückes 7 in der Bohrung des Ringes 4 anliegt, so daß nur der Federdraht die Pressung auf die Bohrungsfläche des Ringes 4 überträgt.

Zusammenfassend wird festgestellt, da die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lastdrehmomentsperre im Vergleich zu den bekannten Ausführungen folgende Vorteile aufweist:

• - die Lastdrehmomentsperre funktioniert auch bei abtriebsseitiger Überlastung, z. B. durch Drehmomentenstöße stets betriebssicher,
• - die Lastdrehmomentsperre überträgt beträchtlich höhere Abtriebsdrehmomente T_ab (Sperrmomente) bei gleichen Federabmessungen (Durchmesser, Windungszahl) und gleicher Vorspannung,
• - die Lastdrehmomentsperre kann aus diesem Grund kleiner, leichter und kostengünstiger ausgeführt werden,
• - die Lastdrehmomentsperre ist bei gleichen übertragbaren Sperrmomenten wegen der kleineren Abmessungen und/oder einem geringeren Vorspannmoment durch die kleinere Reibleistung einer geringeren Erwärmung und weniger Verschleiß in der Bewegungsfuge zwischen Drehfeder und Ringbohrung ausgesetzt,
• - die Lastdrehmomentsperre kann bevorzugt wegen der geringeren Anzahl federnder Windungen auch bei Einsatzfällen verwendet werden, bei denen eine spielarme Positionierung der Abtriebswelle (d. h. des Stellgliedes) gefordert wird.

Claims (2)

1. Lastdrehmomentsperre mit einer unter Vorspannung in einer Bohrung befindlichen zylindrischen Drehfeder, wobei die Einleitung einer Umfangskraft je nach Drehrichtung eines abtriebsseitigen Drehmomentes in eines der beiden Federenden erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Federenden in Umfangsrichtung auslaufen und mit Endstücken (7) verbunden sind, die dermaßen geformt sind, daß die Einleitung der Umfangskraft beim Sperren tangential mit möglichst großem Hebelarm erfolgt.

2. Lastdrehmomentsperre nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstücke (7) als geschlitzte oder geteilte Klemmstücke ausgeführt werden.