DE3534093C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kupplung zur Drehmomentbegrenzung, deren treibendes und getriebenes Kupplungsteil zueinander drehbar gelagert sind, mit zwischen diesen vorgesehenen Sperr­ gliedern, die im Überlastfall das Drehmoment unterbrechen.

Kupplungen zur Drehmomentbegrenzung mit Brech- oder Reißglie­ dern sind bekannt aus DE-OS 28 47 232 und DE-PS 24 30 541. Solche Kupplungen haben den Nachteil, daß der Ersatz zerstörter Brech- oder Reißglieder zu längeren Betriebsunterbrechungen führt, und daß durch die plötzliche Zerstörung der Drehbegrenzungsglieder es in Verdrehspiel behafteten Antriebssystemen zu schädlichen Geschwindigkeitsstößen kommt. Obwohl Brech- und Reißglieder sehr genau berechnet und hergestellt werden können, unterlie­ gen sie, wenn sie häufig über der Dauerfestigkeitsgrenze arbei­ ten, eine Vorschädigung, die letztlich auf Dauer gesehen zu unerwünschten Abschaltungen unterhalb des vorgegebenen Momentes führt.

Ferner sind eine Reihe von Drehmomentbegrenzungskupplungen be­ kannt, bei denen federbelastete Sperrglieder zur Anwendung kom­ men, die den Vorteil gegenüber der erstgenannten Art haben, daß sie wieder einrückbar und daher nach kurzer Unterbrechung wie­ der betriebsbereit sind.

Bei einer dieser Kupplungen wird das Drehmoment von der Kupp­ lungsnabe über einen drehfest und axial verschieblichen Ring und von diesem über eine Stirnzahnkupplung auf den drehbar ge­ lagerten Kupplungsflansch übertragen, wobei die Axialkraft über eine Reihe von Kugeln, die in zwei abgeschrägten federbe­ lasteten Ringen laufen, an einem Nabenansatz abgestützt ist. Bei Überlast wird die Stirnzahnkupplung auseinandergedrückt, der Ring axial verschoben und die Kugeln über den Nabenansatz gehoben, wodurch der Kupplungsflansch sich frei drehen kann.

Von Nachteil ist zunächst, daß unter der Wirkung des anstehen­ den Abschaltmomentes die Haftreibung in der Stirnzahnkupplung und in der Axialverschiebung zulassenden Kupplungsverbindung überwunden werden muß, bevor die Trennung der beiden Kupplungs­ teile erfolgt, so daß die Höhe des Abschaltmomentes in erheb­ lichem Maße von dem jeweiligen Zustand der Berührungsstellen der Kupplungsverbindungen abhängt.

Weiterhin wird die Abschaltgenauigkeit auch von der Geometrie der Berührungsstelle der Kugeln am Nabenbund beeinflußt, die durch häufige Abschaltvorgänge einem Reibverschleiß unterliegt.

Infolge des kurzen Weges, den die Kugeln bis zum Erreichen ihrer Leerlaufposition zurücklegen, erfolgt die Momentenunter­ brechung nahezu trägheitslos, wodurch es zu unerwünschten Ab­ schaltungen kommen kann.

Durch die plötzliche Unterbrechung des Drehmomentes kommt es in Verdrehspiel behafteten Wellensträngen ebenfalls zu Ge­ schwindigkeitsstößen.

Durch axiale Hintereinanderschaltung der beiden Kupplungsteile hat diese Kupplung außerdem eine große axiale Baulänge, die ins­ besondere dann von Nachteil ist, wenn sich die Notwendigkeit der Kombination mit einer anderen, z. B. einer Wellenversatz zulassenden Kupplung ergibt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Drehmomentbegrenzungskupp­ lung zu schaffen, die gleitreibungsfrei das Drehmoment bei Überlast unterbricht, im Bereich des Nenndrehmomentes drehstarr und spielfrei ist und bei der bis zur Momentenunterbrechung, vom jeweiligen Einsatzfall abhängig, der Verdrehwinkel der bei­ den Kupplungsteile zueinander von nahezu drehstarr bis drehweich gewählt werden kann.

Ferner soll bis zur Momentenunterbrechung der Federweg möglichst groß sein und nach Erreichen des Abschaltmomentes das Drehmoment degressiv abfallen. Außerdem soll nach Trennung der Mitnehmer­ teile die Kupplung ohne schädliche Restmomente in eine Leer­ laufposition kommen, aus der die Betriebsbereitschaft schnell wieder herstellbar ist. Weiterhin soll die Kupplung möglichst geringe axiale Abmessungen besitzen.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kupplung durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruches gelöst.

Durch die Anordnung eines Schaltringes, der an seinem Innen­ durchmesser über ein Mitnahmeprofil drehfest und längsver­ schieblich mit der Kupplungsnabe verbunden ist und an seinem Außendurchmesser in axialer Richtung sich etwa bis zur Mitte des Schaltringes erstreckende radiale Ausnehmungen aufweist, in die federbelastete Rollkörper eingreifen, die in tangen­ tialer und radialer Richtung im Kupplungsgehäuse gelagert sind, wobei der Schaltring in axialer Richtung neben den Ausnehmun­ gen eine umlaufende zylindrische Mantelfläche aufweist und mit axial gerichteten Federn gegen die Kupplungsnabe abgestützt ist, ergeben sich folgende Vorteile:

Die als Rollkörper ausgebildeten Sperrglieder haben im Ver­ gleich zu gleitreibungsbehafteten Sperr- bzw. Mitnahmegliedern einen wesentlich günstigeren Reibwert, so daß das Abschalt­ moment praktisch nicht von ihm beeinflußt wird. Besonders vor­ teilhaft ist, daß durch die Verwendung von Rollkörpern der Eingriffswinkel der Ausnehmungen sehr klein gewählt werden kann, wodurch sich die beiden Kupplungsteile bis zum Auslöse­ moment nur geringfügig zueinander verdrehen und die Federkraft im Vergleich zur Umfangskraft relativ klein wird.

Die kleinere Federkraft gestattet wiederum den Einbau ver­ hältnismäßig weicher Federn mit großem Federweg und großer Eintauchtiefe der Rollkörper. Der größere Federweg ermöglicht auch die genauere Einstellung der Federkraft. Dabei steigt das Drehmoment aus der Ruhelage der Rollkörper bis zum Auslöse­ moment - je nach Eintauchtiefe und Eingriffswinkel - um das 1,5- bis 3fache an.

Durch diesen Vorgang entsteht bis zur Drehmomentenunterbre­ chung eine geringe zeitliche Verzögerung, wodurch vermieden wird, daß es bei nur für Bruchteile von Sekunden anstehenden Stößen zu Fehlauslösungen kommt.

Außerdem ermöglicht der große Federweg den Übergangsbereich zwischen den geraden Flanken der radialen Ausnehmungen und der Mantelfläche des Schaltringes abgerundet auszubilden. Dadurch werden Oberflächenschäden vermieden, und die Genauig­ keit des Auslösemomentes bleibt erhalten.

Gleichwohl ist es möglich, die radialen Ausnehmungen auch mit einem großen Eingriffswinkel zu versehen, wodurch bei manchen Einsatzfällen der zusätzliche Einbau einer drehweichen Kupplung entfallen kann.

Nach Überschreiten des Abschaltmomentes steigt die Federkraft noch so lange an, bis die Rollkörper in Leerlaufposition er­ reicht haben und auf der zylindrischen Mantelfläche des Schalt­ ringes abwälzen, gleichzeitig aber fällt das Drehmoment degres­ siv ab, weil die Umfangskraft infolge der veränderten Eingriffs­ bedingungen zunehmend kleiner wird.

Die Entlastung der verbundenen Wellen erfolgt dabei nicht schlagartig, so daß Geschwindigkeitsstöße vermieden werden. Durch die radiale Anordnung von Schaltring und Federbeinen sowie durch scheibenförmige Ausbildung der Rollkörper wird außerdem eine geringe axiale Baulänge der Kupplung erreicht, deshalb eignet sie sich besonders zur Kombination mit Ketten­ rädern sowie mit Ausgleichskupplungen oder auch zum Einbau in Zahnradgetriebe.

Zwischen Schaltring und Nabenbund hat die Drehmomentbegren­ zungskupplung in axialer Richtung eine Federeinrichtung. Erreichen die Rollkörper nach Überschreiten des Auslösemomen­ tes die zylindrische Mantelfläche des Schaltringes zwischen den radialen Ausnehmungen, so wird der Schaltring von der Federeinrichtung axial so weit verschoben, bis die Rollkörper in Leerlaufstellung auf der nicht unterbrochenen zylindrischen Mantelfläche abwälzen, so daß das Leerlaufmoment sehr klein wird.

Von Vorteil ist ferner, daß der Schaltring erst dann axial verschoben wird, wenn das Drehmoment bereits unterbrochen ist, so daß die zur Verschiebung des Schaltringes erforderliche Federkraft sich nur aus der zu beschleunigenden Masse und der Reibkraft der Rollkörper ergibt.

Die geringe Federkraft hat hierbei auch den Vorteil, daß die Bordreibung zwischen den radialen Ausnehmungen und der Stirn­ seite des Rollkörpers so klein wird, daß sie das Auslösemo­ ment nicht beeinflußt, insbesondere bei Ausbildung der Roll­ körper mit einem Bord auf der dem Schaltring zugewandten Stirn­ seite.

Die Merkmale des Anspruches 6 begünstigen die Aufgabenstellung im Hinblick auf große Eintauchtiefe der Rollkörper in den Schaltring, insbesondere bei fliegender Lagerung der Rollkörper.

Eine symmetrische Lagerung beiderseits der Rollkörper ist ebenfalls denkbar, jedoch wird dann zwangsläufig bei gleich großem Rollendurchmesser die Eindringtiefe kleiner, wodurch sich Eingriffswinkel und Verdrehwinkel vergrößern und das übertragbare Drehmoment absinkt.

Von besonderer Bedeutung sind noch die Ansprüche 5 bis 8, wonach die Federbeine zum einen im unteren Bereich scheiben­ förmig ausgebildet sind und eine rohrartige Verlängerung auf­ weisen, über die eine zwischen dem Kupplungsgehäuse und dem scheibenförmigen Teil angeordnete Feder geführt ist, und zum andern in tangentialer Richtung mit Zapfen über Stützrollen im Gehäuse abgestützt sind. Dabei ist die rohrartige Verlänge­ rung in radialer Richtung von dem Zentrieransatz jeweils eines in dem Kupplungsgehäuse angeordneten Gewindestopfens geführt, und die Stützrollen laufen in radialen Schlitzen der Seiten­ wandungen des Kupplungsgehäuses. Hierdurch ist es möglich, die Federn von Querkräften freizuhalten, ihre Verschieblichkeit nicht zu beeinträchtigen und die Tangentialkräfte auf direktem Wege in das Kupplungsgehäuse einzuleiten.

Die nach Anspruch 9 vorgeschlagene Lösung ermöglicht es, die Kupplung nach einer Auslösung in kurzer Zeit von Hand oder über eine Servoeinrichtung wieder betriebsbereit zu machen, wobei der Einrückmechanismus automatisch durch Federkraft in seine Ausgangsstellung zurückgebracht wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen erläu­ tert. Es zeigt im einzelnen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Drehmoment­ begrenzungskupplung mit fliegender Lagerung der Rollkörper in Laststellung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Roll­ körpers in verschiedenen Laststellungen.

Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist die Drehmomentbegren­ zungskupplung über die Kupplungsnabe 1 und das Kupplungsgehäuse 2 zwischen einer treibenden und einer getriebenen Welle ange­ ordnet, wobei die Kupplungsnabe 1 gegenüber dem Kupplungsge­ häuse 2 über die Lager 3 drehbar gelagert ist.

Der Kupplungsnabe 1 sind ein Schaltring 4, der über ein Mit­ nahmeprofil 5 drehfest und längsverschieblich mit ihr verbunden ist, und ein Nabenbund 6 zugeordnet, zwischen denen sich axial gerichtete Federn 7 befinden. Am äußeren Umfang des Schaltrin­ ges 4 sind in axialer Richtung etwa bis zur Mitte sich er­ streckende radiale Ausnehmungen 8 mit gleicher Umfangsteilung vorgesehen. Neben den Ausnehmungen besitzt der Schaltring eine zylindrische, nicht unterbrochene Mantelfläche 9.

Im Kupplungsgehäuse 2, das über die Seitenwandungen 10 und 11 und die Lager 3 gegenüber der Kupplungsnabe 1 gelagert und über die Dichtungen 12 und die Deckel 13 abgedichtet ist, sind mit gleicher Teilung wie die Ausnehmungen 8 in radialer Rich­ tung Federbeine angeordnet, die aus dem unteren scheibenförmi­ gen Teil 14 der rohrartigen Verlängerung 15 und den Federn 16 bestehen.

Das scheibenförmige Teil 14 jedes Federbeines besitzt an sei­ ner Unterseite in Axialrichtung zwei Lagerböcke 17 und 18, wobei im Lagerbock 17 ein mit Bord 31 versehener Rollkörper 19 mit seiner Welle 20 und dem Zapfen 21 über die Lager 22 und 23 drehbar gelagert und im Lagerbock 18 die Welle 24 mit ihrem Zapfen 25 drehfest angeordnet ist.

Die Federbeine sind gegenüber dem Gehäuse 2 über Stützrollen 26 tangential gelagert, die mit den Zapfen 21 und 25 verbunden und in den radialen Schlitzen 27 der Seitenwandungen 10 und 11 des Gehäuses abgestützt sind.

Zwischen den Zapfen 21 und 25 einerseits und den Deckeln 13 andererseits sind Kugeln 30 vorgesehen, die die Federbeine in axialer Richtung führen.

Über die rohrartigen Verlängerungen 15 und die Zentrieransätze 29 von Gewindestopfen 28 sind die Federbeine in radialer Rich­ tung im Gehäuse 2 gelagert, wobei zugleich die Federn 16 über die Gewindestopfen 28 auf die gewünschte Nennfederkraft vor­ gespannt sind.

Wird die Vorspannkraft der Federn 16 unter der Wirkung des Drehmomentes überschritten, wälzen die Rollkörper 19 - je nach Momentenrichtung - an der einen oder anderen Flanke der radia­ len Ausnehmungen 8 ab, wobei das Auslösemoment erst dann er­ reicht wird, wenn die wirksame Umfangskraft infolge der sich verändernden Eingriffsbedingungen abfällt.

Mit Erreichen der zylindrischen Mantelfläche zwischen den radialen Ausnehmungen 8 ist das Drehmoment unterbrochen, und der Schaltring 4 wird durch die vorgespannten Federn 7 axial so weit verschoben, bis er an den Gewindespindeln 32 anliegt, so daß die Rollkörper 19 in Leerlaufstellung auf der nicht unterbrochenen Mantelfläche 9 des Schaltringes 4 abwälzen.

Nachdem das Kupplungsgehäuse 2 und die Kupplungsnabe 1 wieder in eine Position zueinander gebracht worden sind, in der die Rollkörper 19 auf der Mantelfläche 9 die gleiche radiale Lage wie die radialen Ausnehmungen 8 haben, ist die Betriebsbereit­ schaft der Drehmomentbegrenzungskupplung durch Betätigung der Einrückvorrichtung wieder herstellbar, die aus dem Hohlrad 34, den Planetenrädern 33, den Gewindespindeln 32 und den Federn 35 besteht, wobei die Federn 35 nach Einrücken des Schaltringes 4 die Einrückvorrichtung nach dem Loslassen in ihre Ausgangs­ position zurückführen.

Über die Kupplungsnabe 1 und den Kupplungsflansch 36 mit den Bohrungen 37 wird die Kupplung mit der an- bzw. abtreibenden Welle verbunden.

In Fig. 2 ist schematisch der Eingriff des Rollkörpers 19 in die radialen Ausnehmungen 8 des Schaltringes 4 in verschie­ denen Laststellungen dargestellt.

Fig. 2a zeigt den über die Federn 16 vorgespannten Rollkörper 19 mit der Anlage auf Vor- und Rückwärtsflanke der radialen Ausnehmungen 8.

In Fig. 2b hat der Rollkörper 19 eine Position erreicht, in der das maximale Kupplungsmoment überschritten wird. Der tan­ gentiale Verdrehweg der beiden Kupplungsteile zueinander ist bis dahin infolge des kleinen Eingriffswinkels nur gering.

In Fig. 2c ist der Eingriffswinkel auf 45° angewachsen, so daß die radiale Federkraft und die Umfangskraft gleich groß sind. Das Drehmoment ist gegenüber dem Abschaltmoment bereits stark abgefallen.

In Fig. 2d ist das Drehmoment unterbrochen, der Rollkörper 19 ist in seiner Leerlaufposition auf der zylindrischen Mantel­ fläche 9 des Schaltringes 4 und wälzt auf dieser ab.

Claims (9)

1. Drehmomentbegrenzungskupplung, bestehend aus einem trei­ benden und einem getriebenen Kupplungsteil, die drehbar zueinander gelagert sind, mit zwischen dem treibenden und dem getriebenen Kupplungsteil vorgesehenen Sperr­ gliedern, die nach Erreichen eines bestimmten Drehmomentes außer Eingriff kommen und in eine Freilaufposition ge­ bracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltring (4) an seinem Innendurchmesser über ein Mitnahmeprofil (5) drehfest und längsverschieblich mit der Kupplungsnabe (1) verbunden ist, der an seinem Außendurchmesser in axialer Richtung etwa bis zur Mitte des Schaltringes (4) sich erstreckende radiale Ausnehmun­ gen (8) aufweist, in die federbelastete Rollkörper (19) eingreifen, die in tangentialer und radialer Richtung im Kupplungsgehäuse (2) gelagert sind, wobei der Schalt­ ring (4) in axialer Richtung neben den radial gerichteten Ausnehmungen (8) eine durchgehende zylindrische Mantel­ fläche (9) besitzt, und daß zwischen dem Schaltring (4) und einem Nabenbund (6) der Kupplungsnabe (1) axial ge­ richtete Federn (7) angeordnet sind.

2. Drehmomentbegrenzungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollkörper (19) scheibenförmig ausgebildet sind.

3. Drehmomentbegrenzungskupplung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollkörper (19) auf der dem Schaltring (4) zuge­ wandten Stirnseite am äußeren Durchmesser einen Bord (31) besitzen.

4. Drehmomentbegrenzungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rollkörper (19) am unteren scheibenförmig ausge­ bildeten Teil (14) eines Federbeines in einem Lagerbock (17) über Lager (22 und 23) gelagert ist.

5. Drehmomentbegrenzungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kupplungsgehäuse (2) und dem unteren scheibenförmig ausgebildeten Teil (14) jedes Federbeines eine Feder (16) angeordnet und über eine rohrartige Ver­ längerung (15) des Federbeines geführt ist.

6. Drehmomentbegrenzungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrartige Verlängerung (15) über den Zentrieran­ satz (29) jeweils eines in dem Kupplungsgehäuse (2) ange­ ordneten Gewindestopfens (28) in radialer Richtung geführt ist.

7. Drehmomentbegrenzungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Federbeine in tangentialer Richtung mit Zapfen (21 und 25) über Stützrollen (26) in den Seitenwandungen (10 und 11) des Kupplungsgehäuses (2) gelagert sind.

8. Drehmomentbegrenzungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Seitenwandungen (10 und 11) sich radiale Schlitze (27) befinden, in denen die Stützrollen (26) laufen.

9. Drehmomentbegrenzungskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine koaxial angeordnete Einrückvorrichtung, die aus Ge­ windespindeln (32) mit jeweils einem daran befestigten Planetenrad (33), einem Hohlrad (34) sowie gegen eine Seitenwandung (11) abgestützten Federn (35) besteht und durch Drehen des Hohlrades (34) koaxial verschiebbar ist.