DE3437808A1

DE3437808A1 - Verfahren zum lastabhaengigen ausloesen einer sicherheitskupplung an einer maschinenanlage und drehmomentueberwachungssystem zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE3437808A1
Application number: DE19843437808
Authority: DE
Inventors: Christoph Prof. Dr.-Ing. 5100 Aachen Troeder
Original assignee: MEC Maschinenbau Entwicklung Consulting GmbH
Current assignee: MEC Maschinenbau Entwicklung Consulting GmbH
Priority date: 1984-10-16
Filing date: 1984-10-16
Publication date: 1986-04-24
Also published as: US4662492A; JPH0243955B2; JPS6196293A; DE3437808C2

Description

Bezeichnung; Verfahren zum lastabhängigen Auslösen einer

Sicherheitskupplung an einer Maschinenanlage und Drehmomentüberwachungssystem zur Durchführung des Verfahrens

Beschreibung:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum lastabhängigen Auslösen einer mit einem Schaltmittel versehenen Sicherheitskupplung für Maschinenanlagen, bei dem an einem vorgegebenen Maschinenteil das durchgeleitete Drehmoment l.-ufend gemessen, ein drehmomentabhängiges Vergleichssignal erzeugt und mit einem vorgegebenen DrehmomentmaximalwerL verglichen wird, so daß bei Erreichen oder überschreiten des Maximalwertes einStellsignal erzeugt und das Schaltmittel die Kupplung löst- Für Maschinenanlagen der unterschiedlichsten Art ist es in einer Vielzahl von Einsatzfällen erforderlich, eine Sicherheitskupplung vorzusehen, die bei Überlastungen eines betreffenden Anlagenteils vom Antrieb trennt, um beispielsweise vorgeschaltete Getriebe oder den Antriebsmotor selbst vor Schäden zu schützen.

Soweit hierfür schaltbare Kupplungen eingesetzt wurden, war es bisher nur möglich, über eine Meßwelle das durchgeleite-

te Drehmoment laufend zu messen und den gemessenen Wert mit einem vorgegebenen Maximalwert für das höchstzulässige Drehmoment zu vergleichen, so daß beim Überschreiten dieses Wertes die Sicherheitskupplung getätigt wird. Sowohl der Meßvorgang, insbesondere aber auch der Auslösevorgang, benötigt wegen der Masseträgheit der beim Auslösevorgang zu bewegenden Teile eine bestimmte Zeit, so daß der vorgebbare Maximalwert für das höchstzulässige Drehmoment spürbar unter dem noch zulässigen kritischen Drehmoment liegen muß, um sicherzustellen, daß bei einer tiberlast die Kupplung auch vor Erreichen des höchstzulässigen kritischen Drehmomentes getrennt wird. Da das durchgeleitete Drehmoment in der Regel nicht gleichbleibend ist, sondern aufgrund wechselnder Lasten, Drehschwingungen innerhalb des Wellenstrangs oder dgl. wechselt, kann der vorstehend beschriebene "Sicherheitsabstand" für den vorzugebenden Drehmoment-Maximalwert erreicht werden und die Sicherheitskupplung geschaltet werden, obwohl aus dem Verlauf des Drehmomentes ein Ansteigen über den höchstzulässigen kritischen Wert nicht eingetreten wäre. Andererseits kann gerade bei Störungen in Maschinenanlagen, die zu Überlastsituationen führen, beispielsweise an Brechern oder dgl., der Drehmomentanstieg so steil verlaufen, daß der bei der Vorgabe des Drehmoment-Maximalwertes der überwachungseinrichtung eingerechnete"Sicherheitsabstand" nicht ausreicht, um die Sicherheitskupplung zu schalten, bevor das höchstzulässige kritische Drehmoment erreicht wird. Hierdurch können trotz Schalten der Sicherheitskupplung Schäden in vor- bzw. nachgeschalteten Maschinenteilen verursacht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs bezeichneten Art so zu verbessern, daß die Sicherheitskupplung den Schaltvorgang noch vor Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Maximalwertes einleitet, wenn aufgrund des-tatsächlichen Drehmomentverhaltens eine Überschreitung des vorgegebenen Drehmoment-Maximalwertes bevorsteht.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Erzeugung des drehmomentabhängigen Vergleichssignals nach der Meßfunktion M = M(t) + dM/dt -At erfolgt, wobei neben der Messung des durchgeleiteten Drehmomentes M(t) auch die jeweilige Veränderung dM/dt des Drehmomentes M(t) in Abhängigkeit von der Zeit erfaßt und danach das jeweils aus der Veränderung dM/dt am Ende eines auf den jeweiligen MeßZeitpunkt folgenden vorgegebenen Zeitabschnittes At nach der Meßfunktion sich ergebende Drehmoment M als Vergleichssignal ansteht. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß bei der Erzeugung des Vergleichssignals zusätzlich der zeitliche Verlauf des Drehmomentes berücksichtigt wird und zwar in der Weise, daß durch Extrapolation der iüiderungsrichtung des gemessenen Drehmomentverhaltens der in einem vorgegebenen Zeitraum zu erwartende Drehmomentwert erfaßt wird. In den hier infrage kommenden Bereichen genügt es, wenn eine lineare Extrapolation vorgenommen wird, da durch den vorgegebenen Zeitabschnitt sichergestellt ist, daß die Kupplung bei Erreichen des vorgegebenen Drehmoment-Maximalwertes bereits getrennt ist. Für den Zeitabschnitt At ist bei diesem Verfahren eine individuelle Anpassung an die für das verwendete Kupplungssystem charakteristische Schaltzeit möglich. Durch die nach diesem Verfahren zusätzlich vorgenommene Extrapolation ergibt sich ein zuverlässiges Abschalten sowohl bei plötzlichem Lastanstieg wie auch bei einem langsamen Lastanstieg, der jedoch aufgrund der in der Maschinenanlage vorgegebenen tatsächlichen Verhältnisse zu einem überschreiten des vorgegebenen Drehmoment-Maximalwertes führt. Da die charakteristisehe Schaltzeit des Kupplungssystems durch die Vorgabe des Zeitabschnitts &t im Verfahren berücksichtigt ist, ergibt sich selbst bei plötzlichem Lastanstieg eine zuverlässige Schaltung der Sicherheitskupplung und damit ein zuverlässiger Schutz der abzutrennenden Maschinenteile vor Überlastung.

Die Erfindung betrifft ferner ein Drehmomentüberwachungssystem für Maschinenanlagen zur Durchführung des Verfahrens/ mit schaltbarer Sicherheitskupplung/ die mit einem Schaltmittel für einen Stellantrieb versehen ist/ wobei an einem vorgegebenen Maschinenteil eine Drehmoment-Meßeinrichtung angeordnet ist/ die in Abhängigkeit vom jeweils durchgeleiteten Drehmoment ein elektrisches Signal erzeugt/ das einer elektrischen Vergleichseinrichtung zugeführt wird/ deren Signalausgang mit dem Schaltmittel verbunden ist/ so daß bei überschreiten eines vorgegebenen Drehmoment-Maximalwertes (Grenzwert) das am Signalausgang der Vergleichseinrichtung anstehende Signal das Schaltmittel des mit dem ausrückbaren Kupplungsteil verbundenen Stellantriebs betätigt.
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Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, daß die elektrische Vergleichseinrichtung einer Rechenschaltung zur Erzeugung des Vergleichssignals nach der vorgegebenen Meßfunktion M = M(t) + dM/dt -At aufweist, die ein Dif-ferenzierglied zur Bestimmung des Wertes dM/dt der Veränderung des gemessenen Drehmomentes M(t) in Abhängigkeit von der Zeit/ ein Multiplikationsglied zur Bestimmung des Faktors dM/dt ·At sowie ein Additionsglied aufweist/ an dessen Signalausgang das Vergleichssignal ansteht und der mit einem Grenzwert-Vergleichsglied verbunden ist/ und daß der Signalausgang des Grenzwert-Vergleichsgliedes mit dem Schaltmittel für den ausrückbaren Kupplungsteil verbunden ist. Ein derart ausgebildetes Drehmomentüberwachungssystem zeichnet sich gegenüber den herkömmlichen überwachungssystemen/ bei denen lediglich der Vergleich des gemessenen Drehmomentes M(t) mit dem vorgegebenen Grenzwert erfolgt/ dadurch aus/ daß zusätzlich zu diesem Meßwert der aufgrund des zeitlichen Drehmomentvexlaufes innerhalb eines vorgegebenen Zeitabschnittes At zu erwartende Drehmomentwert M berücksichtigt wird und daß nicht der gemessene Drehmomentwert M(t)/ sondern der extrapolierte Drehmomentwert M mit dem Grenzwert verglichen wird und

dementsprechend bei einem Erreichen bzw. überschreiten des Grenzwertes die Schaltmittel bereits angesteuert werden, und zwar um den Zeitabschnitt At vor dem Erreichen des Drehmomentgrenzwertes durch den extrapolierten Drehmomentwert M, wobei durch den ZeitabschnittAt mindestens die Zeit vorgegeben werden kann, die für das vollständige Ausrücken der Kupplung benötigt wird. Dies hat u.a. den Vorteil, daß der vorzugebende Drehmomentgrenzwert in bezug auf den höchstzulässigen kritischen Wert der Belastung des betreffenden Anlagenteils einen geringeren "Sicherheitsabstand" einhalten kann und somit im Vergleich zu den bisherigen Drehmomentüberwachungssystemen ein Ansprechen ohne Gefährdung der Maschinenanlage später erfolgen kann und somit Betrxebsunterbrechungen nur dann eintreten, wenn tatsächlich ein Überlastfall eintritt, der die Maschinenanlage gefährden würde.

Das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße überwachungssystem zur Durchführung des Verfahrens kann über die Vorgabe des Extrapolationsgliedes dM/dt -,At in der Meßfunktion an jede vorhandene schaltbare Sicherheitskupplung angepaßt werden. Um jedoch das erfindungsgemäße Überwachungssystem optimieren zu können, kommt es darauf an, auch die zum Überwachungssystem gehörende Kupplung so auszubilden, daß die zum vollständigen Trennen erforderliche Schaltzeit möglichst kurz ist, um den durch den Zeitabschnitt At vorgegebenen Sicherheitsabstand verkürzen zu können oder aber bei Maschinenanlagen mit stark schwankendem Drehmomentverlauf mit steilem Drehmomentanstieg die Kupplung zuverlässig vor einem Erreichen bzw. überschreiten des Drehmomentgrenzwertes ausrücken zu können. Da der ausrückbare, d.h. der zu bewegende Kupplungsteil insbesondere bei Kupplungen zur Übertragung großer Drehmomente ein erhebliches Gewicht aufweist, so daß beim Schalten der Kupplung innerhalb kürzester Zeit große Massenkräfte zu überwinden sind, müssen auch entsprechend hohe Stellkräfte zur Verfügung stehen. Da andererseits die Energie zur

Betätigung des Stellantriebes auf ein drehendes Teil zu übertragen ist, und hierzu üblicherweise elektrische Energie verwendet wird/ sind hinsichtlich der elektrischen Leistung aufgrund der Übertragung Grenzen gesetzt hinsichtlich der aufzubringenden Kraft. Um hier trotzdem hohe Schaltkräfte einleiten zu können, ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß der ausrückbare Kupplungsteil gegen die Kraft einer Spreizfeder durch den Stellantrieb in seiner Betriebsstellung gehalten wird und daß die beiden Kupplungsteile wie an sich bekannt, mit ihrer Eingriffsfläche axial formschlüssig miteinander verbunden sind, vorzugsweise über eine Stirnverzahnung. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Kraft zum Trennen der beiden Kupplungsteile über die Spreizfeder, und bei der Verwendung einer Stirnverzahnung, insbesondere einer Hirthverzahnung, zusätzlich die durch die Neigung der Zahnflanken wirksame Komponente der aus dem Drehmoment herrührenden Umfangskraft nach Freigabe durch den Stellantrieb die beiden Kupplungsteile außer Eingriff bringt. Die elektrische Energie, die über eine Verstärkung des Durchgangssignals des Grenzwertvergleichsgliedes zur Verfügung steht, braucht daher nur noch auf die Erfordernisse des Stellantriebes ausgelegt zu werden.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß der Stellantrieb durch einen mit Druckgas gefüllten und mit einem Ventil als Schaltmittel versehenen Druckbalges aus einem biegsamen Werkstoff gebildet wird, der den bewegbaren Kupplungsteil in Betriebsstellung hält. Bei einem derartigen System ist als Stellkraft lediglich die Kraft erforderlich, die zum öffnen des Ventils notwendig ist. Um zu einer möglichst kurzen Schaltzeit für die Kupplung zu kommen, muß dieses Ventil einen großen Durchtrittsquerschnitt haben, um praktisch schlagartig die Gasfüllung abgeben zu können. In seiner einfachsten Form kann hierbei ein vollständig geschlossener Druckbalg vorgesehen werden, dem ein mit einem Stellantrieb verbundenes Schlitzmesser

zugeordnet ist, das bei Betätigung in die Wandung des Druckbalges eintritt, wobei unter der Wirkung des Innendruckes der sich bildende Schlitz aufweitet.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Stellantrieb wenigstens ein relativ zum ausrückbaren Kupplungsteil bewegbares Kurvenstück aufweist, auf dem sich das Kupplungsteil in axialer Richtung abstützt und das mit einem Antriebsmittel verbunden ist. Diese Ausfuhrungsform ist insbesondere bei der Verwendung einer Hirth-Stirnverzahnung an Kupplungen zur übertragung hoher Drehmomente von Vorteil, da bei hohen Drehmomenten über die Neigung der Zahnflanken des Kupplungsteiles der ausrückbare Kupplungsteil in axialer Richtung mit einer Kraft belastet wird, die etwa der Hälfte der durch das Drehmoment auf die Kupplung ausgeübten Umfangskraft entspricht. Bei Schnellaufenden und/oder hohen Lastmo-' menten ist es nicht mehr möglich, diese Axialkraft über ein entsprechendes Wälzlager an einem feststehenden Maschinenteilfdas mit den Schaltmitteln verbunden ist, abzustützen. Mit der vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Lösung ist es jedoch möglich, die vom Lastmoment herrührende Axialkraft über das Kurvenstück auf einem entsprechend angeordneten Wellenbund abzufangen, so daß in der Betriebsstellung eine zuverlässige, formschlüssige und von äußeren Einflüssen, z.B. aus dem Betrieb herrührenden Verschleiß unabhängige Verbindung geschaffen ist. Als Stellantrieb braucht auch hier wiederum lediglich die Kraft zur Verfügung gestellt zu werden, die nötig ist, um das Kurvenstück zu verschieben, wobei bei entsprechender Neigung der Kurve wiederum die auf das ausrückbare Kupplungsteil wirkende Axialkraft, die sowohl vom Antriebsmoment und nach Beginn des Schaltvorganges durch die Spreizfeder aufgebrat-hb wird, die Verschiebung des Kurvenstücks unterstütz.t.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist hierbeo vorgesehen, daß das Antriebsmittel für das Kurvenstück

durch eine vorgespannte Druckfeder gebildet wird, und daß als Schaltmittel ein am Kurvenstück gegen die Kraft der Druckfeder angreifendeArretierung vorgesehen ist, die mit einem weiteren Antriebsmittel verbunden ist, das mit dem Signalausgang des Grenzwertvergleichsgliedes in Verbindung steht. Durch eine derartige Ausbildung des Stellantriebes kann ein öffnen der Sicherheitskupplung in kürzester Zeit auch bei großen Massen der zu bewegenden Teile mit geringer, über die überwachungsschaltung bereitzustellende vorzugsweise elektrischerEnergie bewirkt werden.

Im Hinblick auf die im Betriebszustand hohen Axialkräfte, die über das Kurvenstück abzufangen sind, ist es besonders vorteilhaft, daß ein koaxial zur Drehachse des ausrückbaren Kupplungsteils angeordneter und relativ hierzu verdrehbar gelagerter Ring vorgesehen ist, der auf seiner dem Kupplungsteil zugekehrten -Seite wenigstens zwei als Kurvenstück ausgebildete Bereiche aufweist, denen jeweils ein Führungskörper am Kupplungsteil zugeordnet ist. Als Stellantrieb für den Ring kann hier wieder eine, ggf. mehrere vorgespannte und in Umfangsrichtung auf den Ring einwirkende Druckfeder vorgesehen werden, so daß zum Auslösen der Kupplung auch hier wieder nur eine Arretierung gelöst zu werden braucht, die den Ring in seiner Betriebsstellung hält. Der Ring ist zweckmäßigerweise sowohl in radialer Richtung als auch in axialer Richtung auf der das. ausrückbare Kupplungsteil tragenden Welle über Lager, vorzugsweise Wälzlager abgestützt.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Stellantrieb durch wenigstens einen, den ausrückbaren Kupplungsteil axial abstützenden Kniehebel gebildet wird, der mit seinem einen Ende am Kupplungsteil und mit seinem anderen Ende an einem Wellenbund angelenkt ist und daß das Kniegelenk mit einem durch den Signalausgang des Vergleichsgliedes ansteuerbaren Schaltmittel verbunden ist. Auch ein derartiger Stellantrieb hat den Vorteil,

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daß er in der Betriebsstellung eine starre Verbindung schafft, gleichwohl aber mit geringen Kräften ein Auslösen der Kupplung zu bewirken vermag. Da hier das Schaltmittel am Kniegelenk angreift, ergibt sich ferner die Möglichkeit, bei entsprechender Auslegung des Schaltmittels, die in axialer Richtung auf den ausrückbaren Kupplungsteil wirkende Spreizfeder beim öffnen noch zu unterstützen. Zweckmäßigerweise ist der Kniehebel mit bezug auf die Wellenachse radial schwenkbarausgebildet, wobei das Kniegelenk nur radial nach innen einknickbar ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, daß der Stellantrieb durch die Fliehkräfte in Schließstellung gehalten wird. Zweckmäßig ist es hierbei ferner, wenn das Kniegelenk in Betriebsstellung der Kupplung geringfügig radial nach außen durch-

2g geknickt ist. Dies erhöht die Sicherheit gegenüber einem unbeabsichtigten Öffnen, da nur mit einem definierten Kraftaufwand der Kniehebel durchgeknickt und damit die Sicherheitskupplung geöffnet werden kann. Die Erfindung wird anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es

2Q zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Drehmomentdiagramm zur Erläuterung des Verfahrens,

Fig. 2 ein Überwachungssystem zur Durchführung des Verfahrens in Form eines Blockschaltbildes,

Fig. 3 eine Ausführungsform mit einem druckgasgefüllten Balg zur Abstützung des ausrückbaren Kupplungsteiles,

Fig. 4 eine Ausführungsform mit radial bewegbarem Kurvenstück zur Abstützung des ausrückbaren Kupplungsteiles,

Fig. 5+ 5aei,ne Aus führungs form mit einem relativ zum ausrückbaren Kupplungsteil verdrehbaren Kurvenring,

Fig. 6 eine Abstützung über eine Kniehebelanordnung.

In Fig. 1 ist der zeitliche Verlauf der Drehmomentkurve einer Maschinenanlage schematisch dargestellt. Der Drehmomentverlauf M(t) stellt das durch ein bestimmtes Wellenteil durchgeleitete Drehmoment dar= Oberhalb des Drehmomentverlaufs M(t) ist der zulässige Drehmomentgrenzwert eingezeichnet. Das tatsächlich durch das betreffende Maschinenteil, beispielsweise eine Meßwelle durchgeleitete Drehmoment wird nun laufend gemessen^ wobei sich zu einem belj&igen Zeitpunkt t. das durchgeleitete Drehmoment die Größe M. .j ergibt. Wie der dargestellte Drehmomentverlauf zeigt, ist das tatsächlich durch das Wellenteil durchgeleitete Drehmoment nicht konstant, sondern schwankt innerhalb gewisser Bereiche. Zu dem zur Erläuterung herausgegriffenen Zeitpunkt t. ist der Drehmomentverlauf noch ansteigend, wobei der Anstiegswinkel durch den mit der Meßschaltung ebenfalls erfaßten Faktor dM/dt beschrieben wird. Multipliziert man diesen Wert dM/dt mit einer fest vorgegebenen Zeitigt, so steht zum Zeitpunkt t.. nicht der Wert M., sondern der im vorliegenden Beispielsfall höhere Wert M als Vergleichssignal an» Da dieser höhere Wert M noch unterhalb des Grenzwertes liegt, wird kein Stellsignal abgegeben. Da die Messung des Drehmomentes und die Erfassung des Wertes dM/dt fortlaufend erfolgt, steht auch fortlaufend das Vergleichssignal M zum Vergleich mit dem vorgegebenen Grenzwert zur Verfugung.

Kommt es nun zu einem späteren Zeitpunkt in der Maschinenanlage durch eine Störung zu einer überbelastung mit einem starken Anstieg des Drehmomentes, so würde ein Drehmomentüberwachungssystem der herkömmlichen Auslegung, das lediglich einen einfachen Vergleich von Drehmoment-Istwert mit dem Grenzwert zuläßt/ zum Zeitpunkt t«, das die Kupplung lösende Stellsignal ausgelöst» Gerade bei einem derart steilen Anstieg des Drehmomentes können zu diesem Zeitpunkt bereits Schäden in der Maschinenanlage auftreten, wenn man

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den zulässigen Grenzwert möglichst hoch ansetzt.

Wird jedoch für das Überwachungssystem die Meßfunktion M = M(t) + dM/dt · £t vorgegeben, so ergibt sich aus der Extrapolation dM/dt »At, daß ein mit dem Grenzwert übereinstimmendes Vergleichssignal bereits zu einem Zeitpunkt t_ ansteht/ so daß das die Kupplung lösende Stellsignal spürbar früher den Auslösevorgang an der Kupplung einleitet/ als dies bei einem herkömmlichen Überwachungssystem möglich ist.

In Fig. 2 ist das überwachungssystem in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Eine in vereinfachter Form dargestellte Maschinenanlage 1 besteht aus einem Antriebsmotor 2 und einer Arbeitsmaschine 3. Beide Aggregate sind über eine schaltbare Sicherheitskupplung 4 miteinander verbunden, die aus einem feststehenden Kupplungsteil 5 und einem ausrückbaren Kupplungsteil 6 besteht. Dem ausrückbaren Kupplungsteil 6 ist ein Stellantrieb 7 zugeordnet, der auf ein Stellsignal anspricht und hierbei den Kupplungsteil 6 ausrückt. Die Kupplung kann hierbei beliebiger Bauart sein. Vorzugsweise wird jedoch eine formschlüssig arbeitende Kupplung eingesetzt, die in Form einer Klauenkupplung oder aber auch in Form einer Kupplung mit Stirn-Verzahnung, beispielsweise mit einer Hirthverzahnung ausgebildet sein kann.

Ein vorgebbares Wellenstück zwischen dem Antriebsmotor 2 der Arbeitsmaschine 3, dessen Auswahl im wesentlichen durch den Gesichtspunkt der Zugänglichkeit bestimmt ist, hier beispielsweise das Wellenstück 8, ist in Verbindung mit einem Meßwertgeber 9 als Drehmomentmeßwelle ausgebildet. Die Messung kann hierbei elektrisch, beispielsweise über Dehnmeßstreifen oder aber auch magnetisch-induktiv über zwei mit Abstand zueinander auf der Meßwelle angeordnete, genutete Scheiben gemessen werden.

Das vom Meßwertgeber 9 ausgehende Meßsignal M(t) wird nun einer Rechenschaltung 10 zugeführt. Diese Rechenschaltung besteht im wesentlichen aus drei Elementen zur Verarbeitung des Meßsignals und zur Erzeugung des Vergleichssignals. Das Meßsignal M(t) wird zum einen einer Recheneinheit 11 zugeführt, in der die zeitliche Veränderung dM/dt des gemessenen Drehmomentes erfaßt wird. Dieser Wert wird einer Multiplikationseinheit 12 zugeleitet, der ferner über eine entsprechende Stelleinrichtung 13 der Wertet einstellbar oder fest vorgegeben wird. Der in der Multiplikationseinheit 12 gebildete Wert wird schließlich einer Additionseinheit 14 zugeführt, an der ferner der Meßwert M(t) ansteht. Der in dieser Additionseinheit gebildete Wert stellt das Vergleichssignal dar, das einer Vergleichseinheit 15 zugeführt wird, in der das Vergleichssignal mit einem fest oder einstellbar vorgebbaren Drehmoment-Grenzwert verglichen wird. Am Signalausgang 17 der Vergleichseinrichtung steht dann ein Stellsignal an, wenn das Vergleichssignal gleich oder größer dem vorgegebenen Drehmomentgrenzwert ist, wie dies anhand von Fig. 1 beschrieben ist. Das Stellsignal wird dann ggf. nach Verstärkung dem Stellantrieb 7 an der Sicherheitskupplung 4 zugeführt, der den ausrückbaren Teil 6 der Kupplung bewegt.

Ein wichtiges Bauteil des anhand von Fig. 2 beschriebenen Überwachungssystems ist auch der Stellantrieb für den ausrückbaren Teil 6 der Sicherheitskupplung. Hierbei kommt es darauf an, daß bei einem Stellsignal die Kupplung mit der jeringstmöglichen Verzögerung öffnen, um die Vorteile des anhand von Fig. 1 beschriebenen "Vorausdenkens" der Kupplung voll nutzen zu können. Hierbei kommt es darauf an, die erforderlichen Stellkräfte ausüben zu können, ohne daß hierzu eine allzu hohe Verstärkung des Stellsignals vorgenommen werden muß, da das Stellsignal zweckmäßigerweise zugleich auch die Energie zur Betätigung des Stellantriebs liefert. Da andererseits bei einer möglichst schnellen Bewegung des ausrückbaren Kupplungsteiles 6 erhebliche

Massenkräfte zu überwinden sind, muß die "Stellkraft" bereits in die Kupplung integriert sein, so daß durch das Stellsignal lediglich ein zusätzliches Schaltmittel, das diese Stellkraft freigibt, zu betätigen ist. Die schematische Darstellung gemäß Fig. 3 zeigt hierbei ein erstes Ausführungsbeispiel für eine derartige schaltbare Kupplung, die als formschlüssige Kupplung mit einer strinseitigen Hirthverzahnung am feststehenden Kupplungsteil 5 und am ausrückbaren Kupplungsteil 6 versehen ist. In Fig. 3 ist die Kupplung in Betriebsstellung.

Der ausrückbare Kupplungsteil 6 ist hierbei auf dem genuteten Ende der Welle 8 in axialer Richtung verschiebbar geführt. Zwischen einem endseitigen Wellenbund 18 und dem ausrückbaren Kupplungsteil 6 ist eine Spreizfeder 19 angeordnet, die in der dargestellten Betriebsstellung zusammengedrückt ist. Der ausrückbare Kupplungsteil 6 stützt sich bei dem hier dargestellten Beispiel auf einem mit Druckgas gefüllten Druckbalg 20 ab, der seinerseits auf einem fest mit der Welle 8 verbundenen Stützgehäuse 21 abgestützt ist. Durch den Druckbalg 20 wird der ausrückbare Teil 6 der Kupplung gegen die Kraft der Spreizfeder 19 und im Betrieb gegen die aus der Verzahnung Z wirkende axiale Komponente der ümfangskraft in Betriebsstellung gehalten. Wird nun der Druckbalg 20 entleert, so wird unter dem Einfluß der an der Verzahnung Z wirkenden Axialkomponente der Ümfangskraft und durch die Kraft der Feder 19 das ausrückbare Kupplungsteil 6 in Richtung des Pfeiles 22 verschoben, so daß die Kupplung öffnet und die Welle zwischen Motor 2 und Arbeitsmaschine 3 getrennt wird.

Der Druckbalg 20 kann nun mit einem Ventil versehen sein, das einen großen Durchtrittsquerschnitt aufweist, und das mit einem entsprechenden Schaltmittel in Verbindung steht. Wird nun das Stellsignal bei einem überschreiten des eingestellten Grenzwertes ausgelöst, so wird über das Schaltmittel das Ventil geöffnet. Das Druckgas kann entweichen

und der ausrückbare Kupplungsteil 6 kann durch die auf ihn wirkenden Kräfte in Öffnungsstellung verschoben werden.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist anstelle eines Ventiles ein Schlitzmesser 23 vorgesehen, das mit einem Stellantrieb 24 verbunden ist und das in der dargestellten Ruhestellung im Druckgehäuse 21 in Richtung des Pfeiles 25 verschiebbar geführt ist. Der Druckbalg 20 ist dann mit Druckgas entsprechender Vorspannung vollständig gefüllt und hermetisch geschlossen, wobei ein kleines, hier nicht näher dargestelltes versiegelbares Einfüllventil ausreicht. Bei einem entsprechenden Stellsignal wird das Schlitzmesser 23 durch den Stellantrieb in den Druckbalg 20 eingepreßt, so daß dieser geöffnet wird. Bei entsprechender Dimensionierung des Messers, das auch als Kreuzmesser ausgebildet sein kann, kann eine so große öffnung in. den Druckbald 20 eingeschnitten werden, daß das Druckgas schlagartig entweichen kann und damit der ausrückbare Kupplungsteil 6 in kürzester Zeit ausrücken kann.

Der Stellantrieb 24, der bei entsprechender Ausbildung des Druckbalges 20 auch auf ein entsprechend ausgebildetes Ventil wirken kann, steht nun über einen Schleifringübertrager 26, 27 mit dem Signalausgang 17 der Vergleichseinheit 15 in Verbindung, so daß bei Entstehen eines Stellsignals am Signalausgang 17 der Stellantrieb 24 betätigt wird. Anstelle eines Schleifringübertragers 26, 27 kann die übertragung des Stellsignals bei entsprechender Ausbildung des Stellantriebs 24 auch drahtlos erfolgen.

Die Ausführungsform gem. Fig. 3, die in axialer Richtung aufgrund der Verwendung eines Druckbalges als Abstützung des ausrückbaren Kupplungsteils 6 in axialer Richtung eine gewisse Elastizität aufweist, wird zweckmäßigerweise nur für Einsatzfälle verwendet, bei denen die Gewähr gegeben ist, daß im Normalbetrieb ein konstantes Drehmoment durchgeleitet wird. Bei pulsierenden Drehmomenten muß

anstelle der erwähnten Hirthverzahnung eine Klauenkupplung herkömmlicher Art, d.h. mit 90° Flankenwinkel eingesetzt werden, um aus dem Drehmoment herrührende Axialkräfte auf das Kupplungsteil 6 auszuschalten.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, die den Einsatz der Hirthverzahnung auch bei der Übertragung pulsierender Drehmomente gestattet. In der Darstellung ist lediglich der ausrückbare Teil der Kupplung dargestellt. Das

IQ mit dem Zahnring Z versehene ausrückbare Kupplunsgteil ist wiederum in einer mit Längsnuten 28 versehenen Welle 8 axial verschiebbar geführt. Auf der der Verzahnung Z abgekehrten Seite ist das Kupplungsteil 6 je nach Konstruktion der axialen Führung mit einer oder mehreren Stützrollen 29 versehen. Mit Abstand hierzu ist an der Welle 8 ein Stützbund 30 befestigt, der beispielsweise fest mit der Welle verbunden sein kann oder aber als zusätzliches Bauteil, wie hier dargestellt, angeschraubt ist. Auf der dem Kupplungsteil 6 zugekehrten Seite des Stützbundes 30 ist ein Kurvenstück 31 radial bewegbar geführt, auf dem sich die Stützrolle 2 9 in der dargestellten Betriebsstellung abstützt, so daß das Kupplungsteil 6 im Eingriff mit dem hier nicht dargestellten Kupplungsteil 5 und gegen die Kraft der Spreizfeder 19 gehalten wird.

Eine mit einem Schaltmittel 32 verbundene Arretierung 33.

hält das Kurvenstück 31 gegen die Kraft einer Druckfeder in seiner Betriebsstellung. Das Kurvenstück 31 ist hierbei möglichst reibungsfrei in einer Nut 35 des Stützbundes 30 geführt. Hierzu kann beispielsweise ein Kugelschlitten 36 vorgesehen sein. Das Schaltmittel 32 steht wiederum mit der Vergleichseinrichtung 15 über entsprechende Übertragungsmittel zur Übertragung des Stellsignals in Verbindung. In der Betriebsstellung ist diese Ausführungsform in axialer Richtung absolut starr. Wird jedoch über das Schaltmittel 32 die Arretierung 33 gelöst, so bewegt die Druckfeder 34 das Kurvenstück 31 radial nach außen, so daß dann das ausrück-

bare Kupplungsteil 6 in axialer Richtung im Öffnungssinne, d.h. in Richtung des Pfeiles 22 verschoben werden kann. Die Kurvenfläche 37 des Kurvenstücks 31 ist hierbei zur Erzielung einer möglichst hohen Öffnungsgeschwindigkeit verhältnismäßig steil ausgebildet. In der Betriebsstellung weist die Kurvenfläche 37 eine "Rast" in Form einer radial verlaufenden Fläche 38 auf, so daß im Betrieb das Kurvenstück bis auf die Belastung durch die Druckfeder 34 in radialer Richtung kräftefrei bleibt.

Während bei der Ausfuhrungsform gemäß Fig. 4 der ausrückbare Kupplungsteil 6 einen axialen Führungsbund aufweisen muß, wenn man nur ein Kurvenstück 31 einsetzen will oder aber im Hinblick auf eine symmetrische axiale Abstützung wenigstens zwei Kurvenstücke einsetzen muß und damit auch entsprechend zwei Schaltmittel verwenden muß, ist in Fig. 5 eine Abwandlung des Systems gem. Fig. 4 dargestellt, das es erlaubt, mit nur einem Schaltmittel eine gleichmäßig auf den Umfang verteilte Abstützung des Kupplungsteils 6 zu bewirken. Hierzu ist der Kupplungsteil 6 mit mehreren, gleichmäßig auf den Umfang verteilten Rollkörpern 39 versehen, deren Drehachsen radial ausgerichtet sind. Die Rollkörper 39 stützen sich hierbei auf einem koaxial zur Welle 8 und relativ zu dieser verdrehbaren Ring 40 ab, der entsprechend der Zahl der Rollkörper 39, wie in der Aufsicht gemäß Fig. 5a dargestellt, mit entsprechenden Kurvenflächen 37a versehen ist. Der Ring ist über ein Axiallager, beispielsweise ein Wälzlager 41, das hier nur schematisch dargestellt ist, in axialer Richtung auf dem Wellenbund 30 abgestützt. Der Ring 40 ist gegen die Kraft mehrerer, tangential zwischen Stützbund 30 und Ring 40 wirkender Druckfeder 34' in die in Fig. 5a dargestellte Betriebsstellung verdreht, in der er durch eine Arretierung 33 gehalten ist, die wiederum mit einem Schaltmittel 32 verbunden ist. Die Druckfeder 34' ist hierbei nur schematisch angedeutet. Sobald am Schaltmittel 32 das Stellsignal wirksam wird, zieht das Schaltmittel 32 die Arretierung 33 zurück, so daß

die Druckfederanordnung 34' den Ring 40 relativ zur Welle verdreht und dementsprechend die Stützrollen 39 über die Kurvenfläche 37a abrollen können und hierbei unter dem Einfluß der Spreizfeder 19 das Kupplungsteil 6 außer Eingriff gebracht werden kann.

In Fig. 6 ist schließlich eine weitere Ausfuhrungsform gezeigt/ die ebenfalls eine starre Abstützung des ausrückbaren Kupplungsteils 6 in Betriebsstellung gewährleistet, die jedoch ebenso wie die Verwendung von Kurvenstücken ein schlagartiges öffnen der Sicherheitskupplung bei Betätigung gewährleisten. Bei dieser Ausführungsform ist der ausrückbare Kupplungsteil 6 über ein oder mehrere gleichmäßig auf den Umfang verteilte Kniehebelanordnungen 42 auf dem Stützbund 30 abgestützt. Der eine Hebel 43 ist hierbei am Kupplungsteil 6 angelenkt, während der andere Hebel 44 am Stützbund 30 angelenkt ist. Das die beiden Hebel 43, 44 verbindende Kniegelenk 45 ist hierbei so ausgebildet, daß es in der gezeigten etwas nach außen durchgeknickten Betriebsstellung starr ist und nur radial nach innen einknicken kann. Auf der Außenseite des Kniegelenks ist hierbei ein übertragungsmittel, beispielsweise in Form eines am Stützbund 30 gelagerten zweiarmigen Hebel 46 vorgesehen, das mit dem Stellmittel 32, beispielsweise einer Tauchmagnetspule, verbunden ist. Sobald das Schaltmittel 32 aktiviert wird, wird der Hebel 46 in Richtung des Pfeiles 47 verschwenkt und dadurch das Kniegelenk 45 radial nach innen durchgedrückt. Sobald der Totpunkt der Kniehebelanordnung 42 überwunden ist, wird der ausrückbare Kupplungsteil 6 schlagartig in Richtung des Pfeiles 22 zurückgezogen. Die Anordnung kann hierbei so ausgelegt sein, daß das Schaltmittel 32 über das Übertragungsmittel 46 noch während des

1 Öffnungsvorganges auf die Kniehebelanordnung 42 einwirkt, so daß zusätzlich zur Kraft der Spreizfeder 19 über die Kniehebelanordnung eine Kraftwirkung in Öffnungsrichtung wirksam wird. Das Schaltmittel 32 kann auch unterhalb der

5 Kniehebelanordnung unmittelbar auf das Kniegelenk 45 wirksam werden.

Ig-ks

Claims

Maxton ■ Maxton · Langmaack Patentanwälte Patentanwälte Maxton & Langmaack ■ Pferdmengesstr. 50 ■ 5000 Köln 51 Alfred Maxtor sr. <1943-1978) Anmelder: MEC - Maschinenbau Alfred Maxto Entwicklung Consulting GmbH Jürgen Lang= sack Dürener Str. 243 D.plom-Ingen.:«· (TU, zugelassen be:... 5180 Eschweiler Europäischen Tatentamt 5000 Köln si Unsere Zeichen Datum 148 pg 841 12.10.84 Bezeichnung: Verfahren zum lastabhängigen Auslösen einer Sicherheitskupplung an einer Maschinenanlage und Drehmomentüberwachungssystem zur Durchführung des Verfahrens Ansprüche:

1. Verfahren zum lastabhängigen Auslösen einer mit einem Schaltmittel versehenen Sicherheitskupplung für Maschinenanlagen/ bei dem an einem vorgegebenen Maschinenteil das durchgeleitete Drehmoment laufend gemessen, ein drehmomentabhängiges Vergleichssignal erzeugt und mit einem vorgegebenen Drehmoment-Maximalwert (Grenzwert) verglichen wird, so daß beim Erreichen oder überschreiten des Grenzwertes ein Stellsignal erzeugt und das Schaltmittel die Kupplung löst, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des drehmomentabhängxgen Vergleichssignals nach der Meßfunktion M = M(t) + dM/dt · At erfolgt, wobei neben der Messung des durchgeleiteten Drehmomentes M(t) auch die jeweilige Veränderung dM/dt des Drehmomentes M(t) in Abhängigkeit von der Zeit erfaßt und danach das jeweils

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aus der Veränderung dM/dt am Ende eines auf den jeweiligen Meßzeitpunkt folgenden vorgegebenen ZeitabschnittsΔt nach der Meßfunktion sich ergebende Drehmoment als Vergleichssignal ansteht.
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2. Drehüberwachungssystem zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, für Maschinenanlagen mit schaltbarer Sicherheitskupplung, die mit einem Schaltmittel für einen Stellantrieb versehen ist, wobei an einem vorgegebenen Maschinenteil eine Drehmomentmeßeinrichtung angeordnet ist, die in Abhängigkeit vom jeweils durchgeleiteten Drehmoment ein vorzugsweise elektrisches Signal erzeugt, das einer vorzugsweise elektrischen Vergleichseinrichtung zugeführt wird, deren Signalausgang mit dem Schaltmittel verbunden ist, so daß beim überschreiten eines vorgegebenen Drehmoment-Maximalwertes (Grenzwert) das am Signalausgang der Vergleichseinrichtung anstehende Signal das Schaltmittel des mit dem ausrückbaren Kupplungsteil verbundenen Stellantriebs betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung eine Rechenschaltung (10) zur Erzeugung des Vergleichssignals nach der vorgegebenen Meßfunktion M = M(t) + dM/dt · At aufweist, die ein Differenzierglied (11) zur Erfassung des Wertes der Veränderung dM/dt des gemessenen Drehmomentes M(t) in Abhängigkeit von der Zeit, ein Multiplikationsglied (12) zur Bestimmung des Faktors dM/dt · At sowie ein Additionsglied (14) aufweist, an dessen Signalausgang das Vergleichssignal ansteht und der mit einem Grenzwertvergleichsglied (15) verbunden ist, und daß der Signalausgang (17) des Grenzwertvergleichsgliedes

(15) mit dem Schaltmittel (7) eines Stellantriebs für den ausrückbaren Kupplungsteil (6) verbunden ist.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ausrückbare Kupplunsgteil (6) gegen die Kraft einer Spreizfeder (19) durch den Stellantrieb in seiner Betriebsstellung gehalten wird' und daß die beiden Kupplungsteile (5, 6) mit ihrer axialen Eingriffsfläche formschlüssig, vorzugsweise über

eine Stirnverzahnung (Z) verbunden sind.

4. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb durch einen mit Druckgas gefüllten und mit einem Ventil als Schaltmittel versehenen Druckbalg (20) aus biegsamem Werkstoff gebildet wird, der den bewegbaren Kupplungsteil (6) in Betriebsstellung hält.

5. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb wenigstens ein relativ zum ausrückbaren Kupplungsteil (6) bewegbares Kurvenstück (31; 40) aufweist, auf dem sich das Kupplingsteil (6) in axialer Richtung abstützt und das mit einem Antriebsmittel (34) verbunden ist.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel für das Kurvenstück (31; 40) durch wenigstens eine vorgespannte Druckfeder (34) gebildet wird und daß als Schaltmittel eine am Kurvenstück (31; 40) gegen die Kraft der Druckfeder (34) angreifende Arretierung (33) vorgesehen ist, die mit einem weiteren Antriebsmittel (32) verbunden ist, das mit dem Signalausgang (17) des Grenzwertvergleichsgliedes (15) in Verbindung steht,

7. System nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeichnet durch einen koaxial zur Drehachse des ausrückbaren Kupplungsteiles angeordneten, relativ hierzu verdrehbar gelagerten.Ring (40), der auf seiner dem Kupplungsteil (6) zugekehrten Seite wenigstens zwei als Kurvenstück (37a) ausgebildete Bereiche aufweist, denen jeweils ein Führungskörper (39) am. Kupplungsteil (6) zugeordnet ist.

8. System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellantrieb durch wenigstens einen den ausrückbaren Kupplungsteil axial abstützenden Kniehebel (42) gebildet wird, der·mit seinem einen Ende am Kupplungsteil (6) und mit seinem anderen Ende am Stützbund (30) angelenkt ist,

und daß das Kniegelenk (45) mit einem durch den Signalausgang (17) des Grenzwertvergleichsgliedes (15) ansteuerbaren Schaltmittel (32) verbunden ist.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit bezug auf die Wellenachse der Kniehebel (42) radial schwenkbar ist/ wobei das Kniegelenk (45) nur radial nach innen einknickbar ausgebildet ist.

"1°· System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Kniegelenk (45) in Betriebsstellung der Kupplung geringfügig radial nach außen durchgeknickt ist.

lg-ks