DE3437388A1

DE3437388A1 - Drehsteife, beugeelastische lamellenkupplung

Info

Publication number: DE3437388A1
Application number: DE19843437388
Authority: DE
Inventors: Klaus Prof. Dr.-Ing. Federn; Rudolf Dipl.-Ing. 1000 Berlin Flierl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-10-09
Filing date: 1984-10-09
Publication date: 1985-06-13
Also published as: WO1986002418A1

Description

Drehsteife, beugeelastische Lamellenkupplung
Beschreibung Die Erfindung betrifft eine elastische Kupplung, wie sie zur drehsteifen, angenähert oder völlig winkeltreuen Übertragung von Drehmomenten von einer Welle, der Antriebswelle zu einer in Achsrichtung anschließenden aber nicht genau fluchtenden, d.h. in einem kleinen Winkel mit ihrer Achse von der Achse der zuerst genannten jetzt abweichenden Welle, der Abtriebswelle, eingesetzt werden. Die als elastisches Gelenk wirkende Kupplung wird dabei entsprechend dem Winkelfehler der Welle gebeugt, wobei während des Umlaufs der Wellen der im Raum im allgemeinen feststehende Beugewinkel relativ zu der sich drehenden Kupplung umläuft. Bei feststehender Antriebswelle beschreibt die Achse der Abtriebswelle also einen spitzen Kegel um die Achse der Antriebswelle mit der Kegelspitze im Kupplungsgelenk-Mittelpunkt. Die Gelenkbeugung kann dabei durch elastische, in ihrer freien Länge in erster Linie auf Flachbiegung beanspruchte Zwischenglieder ermöglicht werden, die, wenn sie nur in einzelnen Abschnitten längs des Umfangs angeordnet sind, als Laschen bezeichnet werden, und, wenn sie die Wellenachsen umschließen, als Ringscheiben, wobei die Laschen mit ihrem einen Ende im allgemeinen mit einer Schraubenverbindung am Flansch der einen Kupplungshälfte reib- und formschlüssig befestigt sind, und mit ihrem anderen Ende, also mit dem anderen Laschenkopf am Flansch der in Bild 1 a nicht gezeigten, über der Bildebene dort zu denkenden Kupplungshälfte meist in gleicher Weise verbunden sind. Laschen und Ringscheiben werden vorzugsweise lamelliert, d.h., sie bestehen aus in mehreren Schichten axial hintereinander angeordneten Laschenlamellen bzw. Ringscheiben-Lamellen, wie z.B. die Ringscheibenlamellen 5 6, 7, 8 in Bild 1. Diese Ringscheibenlamellen sind bei der Ausführung nach Bild 1 mit den Sechskantkopf-Schraubenbolzen 2 und 2' am Flansch 1 der Kupplungshälfte auf der Antriebswelle 01 form- und reibschlüssig befestigt und mit den im Schnitt erkennbaren Schraubenbolzen 3 und 3' am Flansch der Kupplungshälfte auf der Abtriebswel le.
Derart aufgebaute, drehsteife und beugeelastische Lamellenkupplungen werden vielfach im Maschinenbau eingesetzt, auch in Form von Gelenken einer Gelenkwelle zur Drehmomentübertragung von Wellen, die nicht nur einen Winkelversatz haben, sondern auch einen Parallelversatz und sich u.U. mit ihren Achsen nicht schneiden, sondern einen kleinen Abstand haben, der durch die dann schräge Zwischenwelle zwischen den Kupplungsgelenken überbrückt wird.
Die über den Umfang einer solchen Kupplung beispielsweise wie in Bild 1 gleichmäßig verteilten Laschenpakete oder die Ringscheibenpaket-Abschnitte zwischen den Einspannungen werden durch ein zu übertragendes konstantes Drehmoment abwechselnd (in Umfangsrichtung gesehen) auf Zug und auf Druck beansprucht, wobei diese Zug-bzw. Druckbeanspruchungen zeitlich gleichbleiben (von dem u.U. bei größeren Beugewinkeln bemerkbaren Kardanfehlern abgesehen). Außerdem werden während des Umlaufs einer gebeugten Kupplung mit lamellierten Laschen oder lamellierten Ringscheiben die Laschen oder Ringscheibenabschnitte in ihrer freien Länge zwischen den Befestigungsstellen zu gewissen Zeiten U-förmig gebogen und zu dazwischen liegenden Zeiten S-förmig, wobei der S-förmigen Biegung eine Verdrehung um die Verbindungslinie zwischen den Befestigungsstellen überlagert ist, die im Verdrehwinkel dem Gelenkbeugungswinkel gleich kommt. Ist z.B. in Bild 1 a die Achse der vor der Bildebene liegenden Abtriebswelle in der Richtung (-45°) nach rechts unten abgebeugt, dann wird der Ringscheibenabschnitt rechts oben U-förmig verbogen, weil dia Befestigungsstelle mit dem Bolzen 3, sich um die diametrale Achse (+ 450) schwenkend, hinter die Bildebene zurücktritt. Entsprechend wird der Ringscheibenabschnitt links unten ebenfalls U-förmig verbogen, weil die Befestigungsstelle mit dem Bolzen 3', sich um die Achse (+ 450) schwenkend vor die Bildebene vortritt. Die Ringscheibenabschnitte links oben und rechts unten werden dabei S-förmig verbogen und verdreht.
Durch diese Biegebeanspruchungen, die in den Einspannbereich an den wechselseitigen Befestigungsstellen an den beiden Kupplungshälften, beispielsweise mit der polygonförmigen Unterlegscheibe 4 unter den Lamellen und der ebenfalls polygonförmigen Deckscheibe 9 über den Lamellen (aber unter dem Schraubenkopf 2) an der Befestigungsstelle am Flansch 1, hereinreichen, tritt Mikroschlupf in den Einspannungen.verbunden mit Reibkorrosion auf, welche die Biegedauerfestigkeit der Lamellen herabsetzt und am Rande der Einspannungen, beispielsweise mit der Unterlegscheibe 4 und der Deckscheibe 9, durch die dort wirkende Kerbwirkung verstärkt, zu Dauerbruchanrissen im Laufe der Betriebszeit führen kann. Insbesondere bei S-förmiger Verbiegung der freien Federlängen treten aber auch zwischen den einzelnen Lamellen der Ringscheiben (oder Laschen) nicht mehr im Mikroschlupfhereich bleibende Relat;v-Verschiebungen auf, die ebenfalls zur dauerfestigkeitsmindernden Reibkorrosion führen können.
Man hat versucht, diese Gefahren dadurch zu mildern, daß man die Laschen oder die Ringscheiben in sehr viele Lamellen aufteilt, wobei die Laschenpakete beispielsweise bis zu 10 relativ dünne Laschenlameilen aufweisen. Dadurch werden aber die durch das zu übertragende Drehmoment auf Druck beanspruchten Laschenlamellen oder Ringscheibenlamellen-Abschnitte in ihrer Tragfähigkeit geschwächt, denn sie neigen- im gebeugten Gelenk zum Ausknicken. Die mangelnde Tragfähigkeit ist dabei bisweilen bereits durch Augenschein festzustellen, wenn z.B. die äußeren Lamellen eines Pakets sich in der Mitte zwischen den Einspannstellen auch im unbelasteten, ungebeugten Zustand durch bleibende Verbiegung nach außen vom Paket abgespalten haben, so daß hier bisweilen Zwischenräume in der Größenordnung der Lamellenstärke sichtbar werden.
Die vorliegende Erfindung soll die Aufgabe lösen, die Reibkorrosion im Einspanntereich der Laschenlamellen oder Ringscheibenlamellen herabzusetzen, Reibkorrosion durch Relativverschiebungen zwischen den Lamellen in ihrer freien Länge herabzusetzen und die Trägfähigkeit auch bei den durch das zu übertragende Drehmoment auf Druck beanspruchten Laschenlameilen oder R ingscheibenlamel len wesentlich zu erhöhen.
Für die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe werden im Einspannbereich zwischen den beispielsweise aus Federstahl C 75 bestehenden Lamellen Zwischenscheiben aus einem anderen Werkstoff, im Falle des Beispiels aus einem Nicht-Eisen-Werkstoff wie z B. einer Kupferiegierung CuSn 8 oder CuSn 6Zn mit ebenfalls hoher Festigkeit aber vorzugsweise geringem E-Modul, angeordnet. Dabei wird erfindungsgemäß die Tatsache ausgenutzt, daß die Verschiedenartigkeit der Werkstoffe die Neigung zu Reibkorrosion herabsetzt, insbesondere, wenn der Federstahl oberflächenbehandelt, z.B. nitriert ist. Durch diese Maßnahme, mit beispielsweise polygonförmigen Zwischenscheiben 5', 6', 7' im Einspannbereich zwischen den Lamellen 5, 6, 7, 8, erhalten diese Lamellen im unbelasteten Zustand auch außerhalb des Einspannbereiches einen Abstand voneinander, der beim ungebeugten Kupplungsgelenk gleich der Stärke der Zwischenscheiben ist.
Im gebeugten, drehmomentübertragenden Gelenk werden zu den Zeiten der U-förmigen Krümmung der freien Lameilenabschnitte die dem Mittelpunkt der Krümmung entfernt liegenden Lamellenabschnitte durch die in ihnen überwiegende Biege-Zugspannung nach dem Krümmungsmittelpunkt herangezogen, während die dem Mittelpunkt der Krümmung näher liegenden, also von der konkaven Seite aus gesehen innen liegenden Lamellenabschnitte der überwiegenden Biege-Druckbeanspruchung zufolge (mit in der Laschenmitte verstärkter Krümmung) vom Krümmungsmittelpunkt weg gedrückt werden. Die von der konkaven U-Biegungsseite aus gesehen außen liegenden Lamellen und innen liegenden Lamellen werden also sich einander nähern, bis sie an den im Paket der Mitte näheren Lamellen anliegen. Die auf der konkaven U-Biegungsseite innen liegenden Lamellen werden dadurch in Laschenmitte bzw. in Ringscheiben-Abschnittsmitte höher beansprucht, (insbesondere dann, wenn noch Druckspannung aus dem zu übertragenden Drehmoment überlagert ist), als wenn sie bereits im unbelasteten Zustand aneinander liegen und sich deshalb bei Belastung und Gelenkbeugung gegenseitig abstützen können. Die Randspannung kann dabei auf der konkaven Seite der U-Biegung bis auf das Doppelte gegenüber dem Fall steigen, daß Zwischenscheiben im Einspannbereich nicht angeordnet sind und die Lamellen hier ohne Abstand aufeinander liegen.
Erfindungsgemäß wird deshalb vorgeschlagen, daß die Zwischenräume zwischen den im Einspannbereich durch Zwischenscheiben getrennten Ringscheibenlamellen oder die Zwischenräume zwischen Laschenlamellen außerhalb des Einspannbereiches innerhalb der sogenannten freien Länge durch Beilagen mit geringem oder zumindest geringerem E-Modul ausgefüllt werden. Diese Beilagen sollen die Beugenachgiebigkeit eines Kupplungsgelenkes nicht spürbar herabsetzen, also die notwendige Biegung der federnden Lamellenabschnitte nicht behindern, aber den Abstand zwischen den federnden Lamellen im Bereich zwischen den Einspannungen etwa konstant, d.h. etwa gleich der Stärke der Zwischenscheiben halten. Sie sollen dadurch insbesondere bei U-Biegung die Lamellen derartig gegeneinander abstützen, daß über ihre Länge die Krümmung auf der konvexen Seite sich von der Krümmung auf der konkaven Seite betragsmäßig nicht stärker unterscheidet, als dies durch die unterschiedlichen Abstände vom gemeinsamen K rümmungsmittelpunkt bedingt ist.
Solche abstandshaltende Beilagen können erfindungsgemäß dadurch erzielt werden, daß die Lamellen beispielsweise auf den Flächen zwischen den Einspannungen mit einem Kunststoff wie Teflon beschichtet werden, wobei die vorzüglichen Gleiteigenschaften dieses Werkstoffes, gekennzeichnet durch eine sehr niedrige Reibungszahl ausgenutzt werden. In Bild 1 a und 1 b sind solche Teflonzwischenscheiben mit 5", 6", 7., bezeichnet, sie überdecken die Flächen der Lamellen außerhalb der polygonförmigen Einspannbereiche, vorzugsweise mit Ausnahme der spitzen Ausläufe der freien Flächen wie dies in Bild 1 jeweils zu beiden Seiten der Schraubenbolzen 3 und 3' durch Kurzstriche - gekennzeichnet ist. Bild 2 zeigt eine solche Teflonschicht (5"), als Folie zwischen die Lamellen zu legen oder als Beschichtung auf die Lamellen aufzubringen, passend zu dem in Bild 1 dargestellten Beispiel.
Abstandshaltende Beilagen können erfindungsgemäß auch dadurch erzielt werden, daß der Raum zwischen den durch Zwischenscheiben im Einspannbereich getrennten Lamellen durch ein Elastomer wie z.B. Kautschuk ausgefüllt wird, wobei durch den niedrigen Gleitmodul und das gegebenenfalls durch Vulkanisieren verstärkte Haften der Elastomer-Schicht an den Lamellen die Relativverschiebungen zwischen benachbarten Lamellen bei S-Biegung rein elastisch aufgenommen werden und Gleitungen gänzlich vermieden werden. Andererseits können die Zwischenräume aber auch bereits durch einen nicht-organischen Nicht-Eisen-Werkstoff mit guten Gleiteigenschaften ausgefüllt werden, weil bereits durch diese Maßnahme die gestellte Aufgabe der Reibkorrosionsminderung und der gegenseitigen Abstützung der sonst getrennt voneinander sich verformenden Lamellen erfindungsgemäß gelöst wird.
Bild 3 a zeigt eine drehsteife beugeelastische Lamellenkupplung mit 6 Laschen, die sich einzeln in den Einspannbereichen überlappen. Hierdurch entstehen bereits ohne Zwischenscheiben im Einspannbereich nicht vernachlässigbare Abstände zwischen den Laschenlamellen in ihrer freien Länge. Diese sollen erfindungsgemäß mit einem Elastomer ausgefüllt werden, um die Tragfähigkeit der Laschen, insbesondere der die Druckkräfte aus dem zu übertragenden Drehmoment aufzunehmenden Laschen auch bei Beugewinkeln im Grenzbereich entscheidend zu verbessern. Ein Schnitt durch die Laschen längs der Verbindungslinie von Boizenmitte zu Bolzenmitte läßt in Bild 3 b die stützende Wirkung der hier schwarz ausgelegten Elastomerstreifen erkennen. Im oberen Bilddrittel und rechts im Bild 3 a wurde ein Beispiel wiedergegeben, bei dem die Elastomere erfindungsgemäß als haftende Beschichtung zumindest auf eine der benachbarten Lamellen aufgetragen wurden. Im unteren Bilddrittel wurde ein anderes Beispiel dargestellt, bei dem gefaltete rechteckige Tefionfolien, so zwischen Lamellen gelegt wurden, daß die Faltung, gegebenenfalls mit einem eingelegten und angehefteten (angeschweißten) Teflonpaßstück oder dergleichen, die Positionierung in radialer Richtung gegen die Fliehkräfte übernimmt und außerdem die Laschenlamellenköpfe der jeweils entgegengerichteten Laschen die Positionierung in Umfangsrichtung.
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Claims

Drehsteife, beuge?lastische Lamel lenkupplung Patentansprüche 1. Drehsteife, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen, bestehend aus zwei Kupplungshälften, die zur drehsteifen Drehmomentübertragung durch gleichmäßig am Umfang verteilte, im wesentlichen tangential verlaufende, blattfederartig federnde Laschen oder Abschnitte von Ringscheiben miteinander verbunden sind, wobei die Laschen oder die Ringscheiben in einzelne Lamellen aufgelöst sind, die im unbelasteten Zustand in parallelen Ebenen liegen und die als Laschenlamellen mit ihren beiden Enden an je einem der Flansche der Kupplungshälften durch Schraubenbolzen mit Hülsen, Paßschrauben oder dergleichen festgespannt sind und als Ringscheibenlamellen abwechselnd an beiden Kupplungshälften in gleicher Weise befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen einer Lasche oder einer Ringscheibe im ungebeugten Gelenk längs ihrer freien Federlänge voneinander getrennt sind, indem im Einspannbereich Zwischenscheiben aus einem vom Lamellenwerkstoff unterschiedlichen, vorzugsweise im Elastizitätsmodul niedrigeren Werkstoff angeordnet sind.
2. Drehsteife, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Zwischenräume zwischen den Lamellen, die durch die im Einspannbereich angeordneten Scheiben kennzeichengemäß zwischen den Lamellen gebildet werden, durch ein Elastomer ausgefüllt sind.
3. Drehsteife, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomere zum Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Lamellen längs ihrer freien Länge durch Kleben oder dergleichen, z.B. Aufspritzen, mit einer der oder beiden benachbarten Lamellen verbunden sind.
4. Drehsteife, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomere zum Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Lamellen längs ihrer freien Länge durch die Zwischenscheiben im Einspannbereich positioniert und dadurch gegenüber Fliehkräften gehalten werden.
5. Drehsteife, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elastomere zum Ausfüllen der Zwischenräume zwischen den Lamellen nicht nur durch die Zwischenscheiben, sondern auch durch angeheftete, aufgeklebte oder verschweißte oder durch Faltung der Elastomere gehaltene Paßstücke entlang der inneren Kontur der Lamellen positioniert werden.
6. Drehsteife, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen, bestehend aus zwei Kupplungshälften, die zur drehsteifen Drehmomentübertragung durch gleichmäßig am Umfang verteilte, im wesentlichen tangential verlaufende, blattfederartig federnde Laschen oder Abschnitte von Ringscheiben miteinander verbunden sind, wobei die Laschen oder die Ringscheiben in einzelne Lamellen aufgelöst sind, die im unbelasteten Zustand in parallelen Ebenen liegen und die als Laschenlamellen mit ihren beiden Enden an je einem der Flansche der Kupplungshälften durch Schraubenbolzen mit Hülsen, Paßschrauben oder dergleichen festgespannt sind und als Ringscheibenlamellen abwechselnd an beiden Kupplungshälften in gleicher Weise befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen einer Lasche oder einer Ringscheibe auf ihrer ganzen Fläche durch Zwischenbleche aus einem vom Lamellenwerkstoff unterschiedlichen vorzugsweise im Elastizitätsmodul niedrigeren Werkstoff voneinander getrennt sind.
7. Drehsteife, elastisch beugefähige Kupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen, bestehend aus zwei Kupplungshälften, die zur drehsteifen Drehmomentübertragung durch auf dem Umfang verteilte im wesentlichen tangential ver.-laufende blattfederartige federnde Laschen miteinander verbunden sind, wobei die Laschen in parallelen Ebenen angeordnet sind und mit ihren beiden Enden an je einem der Flansche der Kupplungshälften durch Schraubenbolzen mit Hülsen, Paßschrauben oder dergleichen befestigt sind und bei einem gleichbleibend zu übertragenden Drehmoment in einer Richtung auf Zug und in der anderen Richtung auf Druck beansprucht werden, wobei sich jeweils Zug-übertragende und Druck-übertragende, in entgegengesetzte Umfangsrichtung weisende Laschen im Einspannbereich wechselweise überlappen, dadurch gekennzeichnet, daß die dadurch in der freien Länge der Laschen sich ergebenden Zwischenräume durch ein reibschlüssig, stoffschlüssig oder formschlüssig positioniertes Elastomer ausgefüllt sind.