DE3224759C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnkupplung mit elektromagneti­ scher Betätigung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine derartige Kupplung ist aus der DE-AS 23 07 551 bekannt. Diese Kupplung besitzt ein treibendes und ein getriebenes Kupp­ lungsteil, wobei dem treibenden Kupplungsteil ein Magnetteil mit einem vierpolig ausgebildeten Flansch zugeordnet ist. Au­ ßerdem ist an dem treibenden Kupplungsteil eine ringförmige Verzahnung vorgesehen. Das getriebene Kupplungsteil besitzt ei­ ne Ankerscheibe, die mit vier Pole bildenden konzentrischen An­ kerringen und einer im gekoppelten Zustand in die Verzahnung des Magnetteils eingreifenden Verzahnung ausgebildet ist. Wei­ terhin ist eine Rückstellfeder vorgesehen, die die Verzahnungen außer Eingriff bringt, wenn die elektromagnetische Betätigung ausgelöst ist. Während der zweifache Magnetschluß sich bei Kupplungen oder Bremsen zwischen Ankerscheibe und Magnetteil verhältnismäßig einfach verwirklichen läßt, weil hier die Kupp­ lungs- oder Bremsbeläge sich über die ganze Andrückfläche der Ankerscheibe verteilen lassen, treten bei der Verwirklichung an Zahnkupplungen Schwierigkeiten insofern auf, als sich auch bei vierpoliger Ausbildung von Ankerscheibe und Magnetflansch wegen des zumindestens in einem radialen Teilbereich der Ankerscheibe verbleibenden Luftspaltes eine exakte Verdoppelung der magneti­ schen Anzugskraft nicht verwirklichen läßt. So ist beispiels­ weise bei der eingangs genannten bekannten Zahnkupplung eine zweiteilige Ausbildung der Ankerscheibe mit einem Innen- und einem Außenring und einem dazwischenliegenden Luftspalt vorge­ sehen, wobei bei einer Ausführung diese beiden Ankerscheiben über eine federnde Scheibe drehfest miteinander verbunden sind. Die Ankerscheibe ihrerseits ist mit dem zugeordneten Kupplungs­ teil über eine Verzahnung drehfest verbunden, die eine Axialbe­ wegung der Ankerscheibe gegenüber dem Kupplungsteil erlaubt. Nachteilig ist dabei zum einen, daß auf diese Weise keine spielfreie Drehmomentübertragung zwischen Ankerscheibe und dem zugeordneten Kupplungsteil möglich ist und daß die magnetische Anzugskraft trotz der vierpoligen Ausbildung nicht verdoppelbar ist, sondern lediglich um den Betrag zunimmt, welche der über­ tragbaren Federkraft der Federscheibe zwischen den beiden An­ kerringen entspricht. Diese Federkraft läßt sich nicht beliebig steigern, denn je größer die Steifigkeit dieser Federscheibe wird, um so mehr wird ein verbleibender Luftspalt in Kauf ge­ nommen werden müssen, der bei einer dort beschriebenen Ausfüh­ rung allenfalls dazu ausgenutzt werden kann, das Lösen der Kupplung zu erleichtern. Nachteilig ist aber dennoch, daß durch eine solche Ausgestaltung kein sattes Anliegen der Ankerscheibe am Magnetflansch erreicht werden kann, was unter Umständen auch Nachteile hinsichtlich des Eingriffes der Verzahnung selbst mit sich bringen kann, die nicht exakt axial schließbar ist. Diese Nachteile mögen bei der dort beschriebenen Ausführung, wo die Haltekraft der Ankerscheibe durch einen erregten Elektromagnet erreicht wird, noch nicht allzu schwer ins Gewicht fallen. Wenn aber eine sogenannte Ruhestromkupplung geschaffen werden soll, die mit Permanentmagneten arbeitet, so bringen solche Bauarten, die keinen exakten magnetischen Schluß gewährleisten, den ent­ scheidenden Nachteil mit sich, daß die Baugröße wegen der zu wählenden größeren Permanentmagneten stark zunimmt und wiederum deshalb den Einsatz solcher Kupplungen beschränkt.

Aus der DE-AS 23 07 551 ist eine elektromagnetisch betätigte Zahnkupplung bekannt, die zwei Kupplungshälften aufweist, die über eine an ihren einander zugekehrten Stirnseiten angeordnete Verzahnung miteinander kuppelbar sind. Die eine Kupplungshälfte trägt eine Spule und bildet den Elektromagneten, die andere stellt den zugehörigen Anker dar. Am Umfang der ersten Kupp­ lungshälfte ist ein axial verstellbarer Zahnring vorgesehen, der in die Verzahnung des Ankers greift. Dieser Ring wird zur genauen Verstellung der Verzahnung axial verschoben. Außerdem ist der Ring aus einem nicht magnetischen Werkstück herge­ stellt, so daß er die Kraftlinien von der Verzahnung fern hält und ein Übertritt der Kraftlinien nur an der Anlagefläche des Ankers möglich ist. Außerdem bietet der starr mit dem Schnecken­ rad verbundene zweipolige Anker aufgrund von Fertigungstoleran­ zen, Verzugserscheinungen, Belastungsverformungen usw. keine Gewähr für eine satte Anlage am Elektromagneten, da er selbst Schrägstellungen nicht ausgleichen kann.

In der DE-OS 26 38 944 wird eine magnetisch betätigte Reibungs­ kupplung beschrieben, bei der eine Elektromagnetspule und ein Permanentmagnet vorgesehen ist. Eine Verzahnung zwischen den zu kuppelnden Teilen ist nicht vorgesehen.

Demgemäß wirft diese Kupplung nicht das Problem auf, eine Ver­ zahnung derart auszubilden, daß gleichzeitig einerseits die Zäh­ ne spielfrei aneinandergreifen, andererseits die Ankerscheibe zur Verdoppelung der Anzugskraft des Magneten vollständig am Magnetteil anliegt.

Aus der DE-AS 12 12 363 ist eine als Rückstellfeder wirkende Scheiben- oder Tellerfeder für eine Ankerscheibe einer elektro­ magnetisch betätigten Kupplung bekannt. Die Ankerscheibe ist drehfest und axial beweglich festgelegt. Die Verwendung einer Membranfeder, bei schräggestellter Ankerscheibe gegenüber ihrer Anlagefläche ist nicht offenbart.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein op­ timaler Magnetschluß trotz des Einsatzes einer Verzahnung ge­ währleistet ist, so daß dadurch die aufzubringenden Magnetkräf­ te und damit auch die Abmessungen der eingesetzten Magnete selbst kleiner werden können.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Pa­ tentanspruches 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Zahnkupplung weist den großen Vorteil auf, daß der Luftspalt zwischen Anker­ scheibe und Magnetflansch bei der Montage durch die entspre­ chende Axialverschiebung des mit der Verzahnung versehenen Rin­ ges mit Hilfe der dem anderen Bauteil zugeordneten Verzahnung zu Null gemacht werden kann, ohne daß ein Spiel an der Verzah­ nung auftritt. Dieser Luftspalt Null erlaubt es, die Anzugs­ kraft eines Magneten wegen der vierpoligen Ausbildung und der zweifachen magnetischen Durchsetzung bei gleicher Größe auf das Doppelte zu steigern, so daß die Baugröße der Magneten geringer gewählt werden kann.

Diese Ausgestaltung bringt auch den großen Vorteil mit sich, daß der Magnetteil mit einem die Verzahnung der Ankerscheibe ständig in Eingriff mit der zugeordneten Verzahnung haltenden Permanentmagneten und mit einem gegen diese Kraftwirkung arbei­ tenden Schaltelektromagneten versehen sein kann. Diese Ausge­ staltung, die an sich bei Reibungskupplungen oder Bremsen be­ kannt ist, weist den Vorteil auf, daß sie ohne Energiezufuhr im gekuppelten Zustand verbleibt und hier die Übertragung großer Drehmomente erlaubt.

Vorteilhaft ist es bei dieser Ausführungsform auch, wenn die Ankerscheibe drehfest mit einer Membranfeder verbunden ist, die an dem zugeordneten Kupplungsteil befestigt ist. Die Anker­ scheibe kann dabei fest mit dem Umfang der Membranfeder und der Innenring der Membranfeder kann mit dem zu kuppelnden Kupp­ lungsteil verschraubt sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine spielfreie Drehomentübertragung von der Ankerscheibe auf das zugeordnete Kupplungsteil, was bei manchen Antrieben, beispiels­ weise in der Webmaschinenindustrie von entscheidender Bedeutung ist. Wird bei einer solchen Anordnung der Magnetteil zusätzlich fest auf der angetriebenen Welle verkeilt, was beispielsweise über ein an sich bekanntes Spannelement geschehen kann, dann fällt auch in diesem Bereich ein Spiel weg, so daß die gesamte Kupplung spielfrei große Drehmomente als Ruhestromkupplung übertragen kann.

Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wirkt - in an sich bekann­ ter Weise - das Magnetfeld des Elektromagneten der Kraftwirkung des Permanentmagneten entgegen. Wird daher der Elektromagnet so ausgebildet, daß die Erregung sowohl umpolbar als auch in ihrer Intensität variierbar ist, so wird der Vorteil erreicht, daß entweder die Anzugskraft des Permanentmagneten elektromagnetisch verstärkt oder aufgehoben werden kann, so daß dann die Kupplung durch die Membranfeder gelöst wird. Da die Verzahnung solcher Kupplungen wegen der Flankenschräge neben den in Umfangsrich­ tung wirkenden Kräften auch Axialkräften unterworfen sind, die von bestimmten Drehmomenten an größer sein können als die An­ zugskraft des Permanentmagneten, so läßt sich auf diese Weise auch eine einwandfrei lösende Überlastkupplung dadurch ausbil­ den, daß der Verzahnung ein Fühler zugeordnet ist, der den axi­ alen Abstand der beiden mit den Verzahnung versehenen Teile überwacht und mit einem Schaltelement zur Beaufschlagung des Elektromagneten verbunden ist, welcher dann, wenn aufgrund der Größe des Drehmomentes die Verzahnung sich zu lösen beginnt, diesen Lösevorgang unterstützt und damit eine Sicherheitskupp­ lung zu verwirklichen erlaubt, die bei bestimmten Drehmomenten automatisch abgeschaltet wird und damit auch eine Überlastung der zu kuppelnden Teile verhindert. Dieses Grenzdrehmoment läßt sich durch die Wahl des Permanentmagneten und durch die Art der Verzahnung festlegen.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungs­ gemäße Zahnkupplung mit einem auf einem Wellenteil aufgesetzten Magnetteil und einer dem zu kuppelnden Teil zugeordneten Ankerscheibe im gekuppelten Zustand,

Fig. 2 eine Detaildarstellung der Verzahnung im ent­ kuppelten Zustand,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teilschnittes gemäß der Linie III in der Fig. 2 durch die Verzahnung zur Erläuterung der Kraftverhältnisse,

Fig. 4 den Magnetjochteil des Magnetteiles mit dem aufge­ setzten Verzahnungsring und

Fig. 5 einen Teilausschnitt der zur Rückbewegung der Anker­ scheibe verwendeten Membranfeder.

In der Fig. 1 ist eine Ruhestromkupplung dargestellt, bei der auf das Ende einer Welle 1 ein Magnetteil 2 aufgesetzt ist, der aus einem drehfest mit der Welle 1 verbundenen Rotor 3, der einen Teil des magnetischen Joches bildet, und aus einem drehbar gegenüber dem Rotor 3 und der Welle 1 gelagerten Spulenteil 4 besteht. In dem Spulenteil 4 ist zum einen ein Permanentmagnet 5 und zum anderen ein Elektromagnet 6 angeordnet, dessen Stromzuführung 7 ortsfest zu dem Spulenteil 4 durch ein feststehendes und nicht näher dargestelltes Gehäuseteil 8 schleifringlos herausgeführt werden kann. Der Spulenteil 4 bleibt daher gegenüber dem Rotor 3 stehen.

Der Rotor 3 besteht ebenso wie der Spultenteil 4 aus magnetisch leitfähigem Material und ist lediglich an dem links gelegenen Flanschteil 9 mit zwei aus unmagnetischem Material bestehenden Ringeinsätzen 10 versehen, die, wie später noch erläutert werden wird, eine Umlenkung der Magnetflußlinien bewirken sollen. Außen besitzt der Rotor 3 eine Axialführung 11 für einen im Ausführungsbeispiel ebenfalls aus unmagnetischem Material her­ gestellten Ring 12, der auf seiner vom Permanentmagneten 5 ab­ gewandten Seite mit einer Verzahnung 13 a versehen ist, die in der Stellung der Fig. 1 mit einer Verzahnung 13 b einer Ankerscheibe 14 spielfrei in Eingriff steht, die satt und ohne Luftspalt an der Gegenfläche des Flansches 9 anliegt. Auch die Ankerscheibe 14 ist etwa in ihrer Mitte mit einem Einsatzring 15 aus unmagnetischem Material versehen, der zusammen mit den Einsätzen 10 in dem Flansch 9 eine Unterteilung der den Magnet­ schluß bewirkenden Flächen von Flansch 9 und Ankerscheibe 14 in vier Pole bewirkt, so daß der Magnetfluß viermal die Grenz­ fläche zwischen Ankerscheibe 14 und Flansch 9 durchdringen muß, und so die Haltekraft des Permanentmagneten 5 verdoppelt wird.

Die Ankerscheibe 14 ist über die Schrauben 17 fest mit dem äußeren Umfang einer in Fig. 5 teilweise gezeigten Membran­ feder 18 drehfest verbunden. Die Schrauben 17 greifen durch die Bohrungen 19 der Membranfeder 18. Der Innenring der Mem­ branfeder 18 ist mit Hilfe von Schrauben 20 drehfest mit einem Kupplungsteil 21 verbunden, und das die Drehbewegung der Welle 1, die somit das erste Kupplungsteil bildet, übertragen werden soll. Das Kupplungsteil 21 kann beispielsweise ein Zahn­ rad aber auch ein anderes Abtriebsteil sein. Die Schrauben 20 greifen durch die Bohrungen 22 der Membranfeder 18, die im übrigen mit radial verlaufenden Speichen versehen ist und dazu dient, die Ankerscheibe 14 und deren Verzahnung 13 b außer Eingriff mit der Verzahnung 13 a des Rotors 3 zu bringen, wenn die Anzugskraft des Permanentmagneten 5 durch entsprechende Erregung des Elektromagneten 6 aufgehoben wird, so daß die Rück­ stellkraft der Membranfeder 18 ausreicht, um die Ankerscheibe von der Anlagefläche am Flansch 9 wegzuziehen und somit die Kupplungswirkung der Verzahnung 13 aufzuheben.

Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, liegt die Ankerscheibe 14 bei nicht erregtem Elektromagneten satt und ohne Luftspalt an der entsprechenden Außenfläche des Flansches 9 an. Um in dieser Stellung zu erreichen, daß die Verzahnung 13 spielfrei in­ einandergreift und eventuelle Herstellungstoleranzen nicht dazu führen, daß sich zwischen den zugeordneten Flächen von Anker­ scheibe 14 und Flansch 9 ein Luftspalt ergibt, ist der mit der Stirnverzahnung 13 a versehene Teil, nämlich der Ring 12, als ein unabhängiges Bauteil ausgebildet. Die Verzahnung 13 a ist also nicht, wie es an sich möglich wäre, Teil des Rotors 3 bzw. des Flansches 9, sondern Teil des Ringes 12, der bei der Montage auf seine entsprechende Axialführung 11 aufgesetzt und durch das Anlegen der Ankerscheibe 14 mit der Verzahnung 13 b so weit auf dieser Axialführungsfläche 11 verschoben wird, bis die Ankerscheibe 14 satt am Flansch 9 anliegt. Der Ring 12 befindet sich dann in einer Lage, in der die Verzahnung 13 spielfrei ineinandergreift. Der Ring 12 ist mit Preßsitz auf die Axialführung 11 aufgebracht und wird, wie aus Fig. 4 noch her­ vorgeht, nach der Montage noch durch radial verlaufende Stifte 23 in seiner Endlage gesichert.

Der Rotor 3 selbst ist durch an sich bekannte Spannelemente 24 fest auf der Welle 1 verkeilt, so daß durch diese Ausgestaltung eine spielfreie Übertragung eines von der Welle 1 auf den Rotor 3 übertragenen Drehmomentes über die Verzahnung 13 und die Ankerscheibe 14 mit Hilfe der Membranfeder 18 auf den Kupplungs­ teil 21 möglich ist. Die Stromzuführung zum Elektromagneten 6 erfolgt dabei schleifringlos und es ist, wie aus Fig. 1 hervor­ geht, der Spulenteil 4 und das Gehäuse 8 über ein Kugellager 25 gegenüber der drehenden Welle 1 gelagert. Die neue Ausgestaltung erlaubt daher eine spielfreie Drehmomentübertragung. Durch die Verdoppelung der Anzugskraft des Permanentmagneten 5 lassen sich hohe axiale Haltekräfte in der Verzahnung 13 verwirklichen.

Die gezeigte Ausführung bietet auch die Möglichkeit, die Kupplung als Überlastsicherung einzusetzen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ruft die zunächst in Umfangsrichtung wirkende vom Drehmoment aus­ geübte Kraft U wegen der schrägen Flanken 26 der einzelnen Zähne 27 neben einer senkrecht zur Angriffsfläche wirkenden Kraft auf die Zahnflanken auch eine in Achsrichtung wirkende Komponente A hervor, die bis zu einer gewissen Größe von dem zwischen dem Zahn­ flanken herrschenden Reibungskräften aufgenommen werden kann. Von einer bestimmten Umfangskraft ab, d. h. also, von einem bestimmten Drehmoment ab, wirkt diese Axialkomponente A jedoch so, daß sich die Verzahnungen 13 a und 13 b voneinander zu lösen beginnen. Die Größe dieser Kraft hängt von der Zahnform ab. Das Lösen der Verzahnungen 13 a und 13 b im Ausführungsbeispiel zusätzlich noch von der Haltekraft des Permanentmagneten 5, die, wie erläutert, durch die gewählte Konstruktion beträchtlich gesteigert werden kann. Trotz der Möglichkeit, große Drehmomente über die Stirn­ verzahnung zu übertragen, ergibt sich jedoch auch bei einer Kupplung nach dem Ausführungsbeispiel ein Grenzdrehmoment, bei dem ein verhältnismäßig unkontrolliertes Lösen der Verzahnung erwartet werden muß. Diese an sich zunächst unerwünschte Er­ scheinung kann aber zur Erzielung einer Überlastkupplung ausge­ nutzt werden, wenn der Verzahnung 13, wie in Fig. 1 ange­ deutet, ein Fühler 28 zugeordnet wird, der beispielsweise auf kapazitive oder auch induktive Weise eine Axialverschiebung zwischen den Teilen 12 und 14 registriert und beim Erreichen eines bestimmten Grenzwertes ein Signal an eine Schalteinrichtung weitergibt, die dafür sorgt, daß der Elektromagnet 6 beaufschlagt wird und gezielt den Entkupplungsvorgang der Verzahnung 13 fördert. Natürlich ist es auch möglich, wenn der Elektromagnet 6 umpolbar geschaltet ist, seine Anzugskraft zu der des Permanent­ magneten 5 zu addieren, so daß für bestimmte Anwendungsfälle auch eine Erhöhung des übertragbaren Drehmomentes möglich ist. Schließlich ist es auch denkbar, durch die Abstimmung der vom Elektromagneten 6 und vom Permanentmagneten 5 ausgeübten Magnet­ kräfte definierte Schaltzustände für die Kupplung zu erreichen. Die neue Kupplung weist den Vorteil auf, daß verhältnismäßig raumsparende Permanentmagneten eingesetzt werden können, so daß der Raumbedarf der Kupplung gering ist. Vorteilhaft ist vor allen Dingen aber auch, daß trotz des geringen Raumbedarfs erhebliche Drehmomente spielfrei übertragen werden können, was bisher nicht möglich war.

Claims (10)

1. Zahnkupplung mit elektromagnetischer Betätigung, be­ stehend aus

• a) einem treibenden und einem getriebenen Kupplungsteil,
• b) einem den treibenden Kupplungsteil zugeordneten Magnetteil mit einem vierpolig ausgebildeten Flansch und
• c) mit einem Träger für eine ringförmige Verzahnung,
• d) zwei gegenüber diesem axial bewegbaren, dem getriebenen Kupplungsteil zugeordneten und vier Pole bildenden konzen­ trischen Ankerringen mit einer in gekuppeltem Zustand in die Verzahnung des Magnetteils eingreifenden Verzahnung, sowie aus
• e) einer Rückstellfeder, die die Verzahnungen außer Eingriff bringt, wenn die elektromagnetische Betätigung ausgelöst ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• f) die zwei Ankerringe Teil einer Ankerscheibe (14), die wäh­ rend der Betätigung spaltfrei mit ihrer ebenen Kupplungs­ fläche an dem treibenden Kupplungsteil anliegt, sind,
• g) die Rückstellfeder als Membranfeder (18) ausgebildet und
• h) die Ankerscheibe (14) drehfest mit der an dem zugeordneten Kupplungsteil (21) befestigten Membranfeder (18) verbunden ist und daß
• i) mindestens eine der beiden Verzahnungen (13 a, 13 b) Teil ei­ nes unabhängigen Ringes (12) ist, der auf eine Axialführung (11) des zugeordneten Trägers (9) aufgesetzt und dort be­ festigt ist.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetteil (2) mit einem die Verzahnung (13 b) der Anker­ scheibe (14) ständig in Eingriff mit der zugeordneten Verzah­ nung (13 a) haltenden Permanentmagneten (5) und mit einem gegen dessen Kraftwirkung arbeitenden Schalt-Elektromagneten (6) ver­ sehen ist.

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankerscheibe (14) fest mit dem Umfang der Membranfeder (18) und der Innenring der Membranfeder (18) mit dem zu kuppelnden Kupplungsteil (21) verschraubt ist.

4. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetteil (1) aus einem fest mit einer angetriebenen Welle (1) verkeilten Rotor (3) und einem gegenüber der Welle (1) stillstehenden Spulenteil (4) besteht.

5. Kupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (3) über ein Spannelement (14) mit der Welle (1) drehfest verbunden ist.

6. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem einen Teil der Verzahnung (13 a) versehene Ring (12) als Riemenscheibe ausgebildet ist.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Verzahnung (13) ein Fühler (28) zugeord­ net ist, der den axialen Abstand der beiden mit den Verzahnun­ gen (13 a, 13 b) versehenen Teile (14, 9) überwacht.

8. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühler (28) mit einem Schaltelement zur Beaufschlagung des Elektromagneten (6) verbunden ist.

9. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Erregung des Elektromagneten (6) sowohl umpolbar als auch in ihrer Intensität variierbar ist.