DE3722511A1 - Gelenkkupplung zum verbinden von wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkkupplung zum Verbinden von Wellen mit einer metallischen Antriebs- und einer metallischen Abtriebsscheibe, die untereinander durch wenigstens einen metallischen Membranring (oder Membranringstapel) verbunden sind.

Gelenkkupplungen dieser Art sind schmier- und wartungsfrei ausgeführt und werden zunehmend in Hochleistungs-, Industrie- oder Schiffsantrieben eingesetzt. Aus Platzgründen ist man häufig gezwungen, den Durchmesser der Gelenkkupplung möglichst klein zu halten. Andererseits erfordert das übertragbare Drehmoment eine entsprechend hohe Anzahl von Schraubenbolzen, die dazu dienen, den Membranring mit Antriebs- und Abtriebsscheibe zu verbinden. Diese Forderungen bringen es mit sich, daß die elastischen Eigenschaften einer solchen Gelenkkupplung, d. h. die axiale und winkelige Nachgiebigkeit, erheblichen Einschränkungen unterliegt und die Gefahr eines Ausfalls durch vorzeitige Ermüdung zunimmt.

Bei Gelenkkupplungen dieser Art ist es bekannt, den Membranring durch vier, sechs, acht, zehn oder mehr Schraubenbolzen, die in gleichen Abständen zueinander auf einem Teilkreis angeordnet sind, abwechselnd mit Antriebs- und Abtriebsscheibe zu verbinden. Dabei wird von jedem Schraubenbolzen an der Antriebsscheibe über das Verbindungsglied, welches vom Membranring von Schraubenbolzen zu Schraubenbolzen gebildet wird, ein entsprechender Anteil des Drehmoments auf den benachbarten Schraubenbolzen an der Abtriebsscheibe übertragen. So enthält eine Gelenkkupplung mit vier Schraubenbolzen zwei Trieb- und zwei Abtriebsschrauben, eine Gelenkkupplung mit sechs Schraubenbolzen drei Trieb- und drei Abtriebsschrauben usw. Die axiale Steifigkeit der Gelenkkupplung nimmt mit der Anzahl der Schraubenbolzen sehr schnell zu, und die örtlichen Spannungen in den Membranringen an den Befestigungspunkten beschränken erheblich die Nutzleistung einer solchen Gelenkkupplung.

Die gebräuchliche Art, die Membranringe mit Schraubenbolzen an den metallischen Scheiben zu befestigen, besteht in der Anwendung von kreisförmigen Unterlegscheiben mit einer ringförmig abgerundeten Kante, um unzulässig hohe Spannungen zu vermeiden, wenn der Membranring bei winkliger Auslenkung der Kupplung gebogen wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gelenkkupplung dieser Art so auszubilden, daß im Vergleich zu einer bekannten Gelenkkupplung bei gleichen Bauabmessungen unter Beibehaltung der elastischen Eigenschaften wie axiale und winkelige Nachgiebigkeit ein wesentlich höheres Drehmoment übertragbar ist. Darüber hinaus soll die Gelenkkupplung so beschaffen sein, daß im Membranring an seinen Einspannstellen unzulässig hohe Spannungen vermieden werden.

Ausgehend von einer Gelenkkupplung der eingangs beschriebenen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Antriebs- und Abtriebsscheibe durch wenigstens zwei parallel geschaltete Membranringe verbunden sind, die in einer um die halbe Teilung oder weniger zwischen benachbarten Verbindungsschrauben einer Gruppe gegeneinander versetzten Umfangslage angeordnet sind, daß die Verbindungsschrauben der beiden Membranringe auf einem oder benachbarten konzentrischen Teilkreisen liegen und daß die Membranringe zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verbindungsschrauben an ihrem Umfang jeweils eine taillenartige Einschnürung mit einer solchen Tiefe aufweisen, daß die Umfangskante an der radial inneren Seite der Verbindungsschraube des jeweils anderen Membranringes verläuft.

Anstelle eines einteiligen Membranringes kann auch ein in Umfangsrichtung mehrteilig ausgebildeter Membranring eingesetzt werden.

Der Hauptvorteil, der durch die Erfindung erzielbar ist, besteht darin, daß durch den Einsatz von zwei parallel geschalteten Membranringen im Vergleich zu einer Gelenkkupplung mit einem einzigen Membranring praktisch ein zweimal größeres Drehmoment übertragbar ist, ohne daß Einschränkungen bei den elastischen Eigenschaften in Kauf genommen werden müssen. Dies wird im wesentlichen dadurch erreicht, daß die Membranringe "tailliert" werden, um eine Überlagerung von zwei Membranringen mit 2 n Schraubenbolzen zu erreichen, so daß eine solche Gelenkkupplung eine Drehkraftleistung von 2 n Schraubenbolzen mit der Elastizität eines Membranringes mit n Schraubenbolzen hat.

Zur Vermeidung von unzulässig hohen Spannungen an den Einspannstellen ist es vorteilhaft, an diesen Stellen beiderseits der Membranringe Stützplatten aus Metall anzuordnen. Diese Stützplatten können vorzugsweise biegeelastisch sein.

Die Stützplatten bewirken eine Abstützung der Membranringe an den Klemmbefestigungsstellen und verhindern zu kleine Biegeradien, wie sie an den abgerundeten Kanten von Unterlegscheiben auftreten können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 bis 3 Draufsichten von drei Membranringen bekannter Bauart, die die Schraubendurchführungsöffnungen und Klemmbefestigungsscheiben sowie die entsprechende Spannweite der Verbindung zeigen, von der ihre Elastizität abhängt,

Fig. 4 eine Draufsicht von zwei gemäß der Erfindung überlagerten Membranringen mit je vier Schraubendurchführungsöffnungen,

Fig. 5 eine Seitenansicht eines gewölbten Membranringes,

Fig. 6 eine Draufsicht einer Gelenkkupplung mit acht Schraubenbolzen gemäß der Erfindung,

Fig. 7, 7a Teilansichten im Schnitt einer Einspannstelle eines Membranringes gemäß der Erfindung und

Fig. 8 und 9, 9a Teilansichten einer Einspannstelle eines Membranringes in der herkömmlichen Art.

In Fig. 1 stellt die Membrane (1) eine kennzeichnende Form mit vier Schraubenbolzen dar, wobei die beiden Schraubenbolzen (2 und 3) Triebschrauben und die beiden Schraubenbolzen (4 und 5) Abtriebsschrauben sind. Die Festklemmscheiben (6) ermöglichen im Verbindungsglied vom Schraubenbolzen (2) zum Schraubenbolzen (5) eine Biegespannweite (L 1).

Fig. 2 zeigt eine Membrane mit sechs Schraubenbolzen, wobei die drei Schraubenbolzen (7, 8 und 9) Triebschrauben und die drei Schraubenbolzen (10, 11 und 12) Abtriebsschrauben sind, und mit einer Biegespannweite (L 2).

Fig. 3 zeigt eine Membrane mit acht Schraubenbolzen, wobei die vier Schraubenbolzen (13, 14, 15 und 16) Triebschrauben und die vier Schraubenbolzen (17, 18, 19 und 20) Abtriebsschrauben sind, und mit einer Biegespannweite (L 3).

Fig. 4 zeigt ein Doppelsystem mit acht Schraubenbolzen aus Membranen mit je vier Schraubenbolzen gemäß der Erfindung. Die vier Triebschrauben (21, 22, 23 und 24) und ebenfalls die Abtriebsschrauben (25, 26, 27 und 28) sind in der Darstellung jeweils paarweise nebeneinander angeordnet. Es ist zu beachten, daß die Biegespannweite (L 1) wie in Fig. 1 ist, wobei L 1=2,5×L 3. In der nachstehenden Auswertung zeigt sich, daß eine relative Längsverschiebung zwischen den Trieb- und den Abtriebsschrauben in den Verbindungsgliedern folgendermaßen eine Zugspannung und eine Gegenkraft in Längsrichtung erzeugt:

Bei einer Kupplung mit acht Schraubenbolzen wie in Fig. 3 ist die Gegenwirkung in Längsrichtung etwa 15mal größer als bei einer Kupplung mit acht Schraubenbolzen wie in Fig. 4. In ähnlicher Weise wird die entsprechende Zugspannung etwa 6mal größer als in Fig. 4 sein.

Fig. 5 zeigt zwei benachbarte Membranenverbindungsglieder (29) mit ihren entsprechenden Festklemmscheiben (30, 31 und 32). Das Schaubild zeigt die Membrane in gewölbtem Zustand wie bei (33) mit der Spannweite (L) in dem dargestellten Umfang.

wobei F=Längsschub, der sich aus zwei benachbarten Verbindungsgliedern ergibt, s=Zugspannung, die in den Verbindungsgliedern erzeugt wird,

y = Längswölbung der Membrane, L = Spannweite eines Verbindungsgliedes, a = Querschnittsfläche eines Verbindungsgliedes, E = Elastizitätsmodul des Membranenwerkstoffs.

Die vorstehenden Ausdrücke lassen erkennen, daß die Längssteifigkeit der Kupplung sich umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Spannweite des Verbindungsgliedes und die erzeugte Spannung sich umgekehrt proportional zur zweiten Potenz der Spannweite verhält. Hieraus erklärt sich der zuvor geltend gemachte Patentanspruch mit den Vorteilen der Anordnung in Fig. 4 gegenüber jener der Fig. 3. Ähnliche Überlegungen gelten für Kupplungen höherer Größenordnung, d. h. mit zehn, zwölf usw. Schraubenbolzen.

Fig. 6 zeigt als Beispiel die kennzeichnende Konstruktion einer Kupplung mit acht Schraubenbolzen, die das in Fig. 4 dargestellte Prinzip beinhaltet. Zwei gleichartige feste Ringe (34 und 35) halten die Doppelmembranenanordnung. Mit den Schraubenbolzen (36, 37, 38 und 39) sind die Antriebsecken der beiden Membranenstapel an der Triebkupplungsringhälfte (34) und mit den Schraubenbolzen (40, 41, 42 und 43) die Abtriebsecken der beiden Membranenstapel an der Abtriebskupplungsringhälfte (35) befestigt. Zweckmäßigerweise verwendet man eine Anzahl von Durchführungsöffnungen mit engerem Gewinde (44), um den Triebring an der Nabe der Triebachse zu befestigen, und die entsprechenden Durchführungsöffnungen (45) am Abtriebsring (35) um diesen am Abstandshalter der Kupplung und ferner über eine zweite Gelenkkupplung von gleicher Art wie die in Fig. 6 mit der Abtriebsachse zu befestigen.

In den Fig. 8 und 9, 9a sind die Nachteile der gebräuchlichen Methoden beschrieben, freibewegliche Membranen mit Schrauben an den festen Naben zu befestigen, während die Fig. 7, 7a die mit dieser Erfindung gebotene Lösung beschreibt.

Fig. 8 zeigt einen mit einem festen Flansch (47) verschraubten Membranenstapel (46), der wie in Fig. 5 dargestellt, gewölbt ist und durch zwei Unterlegscheiben (48 und 49) mit scharfen Kanten an (A) festgeklemmt wird. Die Zugkraft (T) im Verbindungsglied ergibt sich a) aus der von der Kupplung übertragenen Drehkraft und b) aus der in Fig. 5 dargestellten Wölbung. Die Spannung am Punkt (A) ist die Summe von drei sich überlagernden Spannungen:

• (a) Zugspannung infolge der Kraft (T),
• (b) Biegespannung am Punkt (A) infolger der Kraft (T),
• (c) Spannungsansammlung am Punkt (A) infolge der Art der Berührung am Punkt (A) zwischen der Unterlegscheibe (49) und der an dieser anliegenden Membrane.

Fig. 9, 9a zeigen die gebräuchlichste Art, die hier unter (b) und (c) erwähnte Biegespannung zu verringern. Die Festklemmscheiben (50 und 51) haben am Punkt (B) eine gerundete Kante mit einer Krümmung (p), woraus sich eine ringförmige Oberfläche (C) ergibt, die sich vom Durchmesser (D 1) zum Durchmesser (D 2) erstreckt. Diese Methode hat folgende Nachteile:

• a) jeder Versuch, den Radius (p) zu erhöhen, um so die Biegespannung in der Membrane zu verringern, führt gleichzeitig zu einer Verringerung des Durchmessers (D 1) und daher zu einer Beeinträchtigung der geeigneten Festklemmung der Membrane.
• b) Im gewölbten Zustand neigt die Membrane dazu, sich entlang einer Achse X-X rechtwinklig zur Zugkraft (T) zu biegen. Der Auflagekontakt am Punkt (D) zwischen der Unterlegscheibe (50) und der Membrane verläuft auf der Ebene Y-Y rechtwinklig zu X-X, wobei die Abschnitte (′a′) und (′b′) der gebogenen Membrane völlig ohne Stützung bleiben und am Punkt (D) eine weitere komplexe Spannungsform erzeugt wird, die beide von der Zugkraft (T) abhängen.

Fig. 7, 7a zeigen einen einseitig eingespannten Träger gemäß der Erfindung, der nicht den zuvor beschriebenen Nachteilen unterliegt. Der Membranenstapel (52) ist zwischen zwei kreisförmigen Unterlegscheiben (53 und 54) sowie zwei zusätzlichen Trägern (55 und 56) festgeklemmt dargestellt, die ungefähr den Umrissen der Ecken der Membrane entsprechen. Bei einer gebogenen Platte mit rechteckigem Querschnitt ist das Verhältnis zwischen Spannung und Krümmung wie folgt:

wobei

s = Biegespannung, t = Stärke der Platte, ρ = Krümmung infolge der Biegung, E = Elastizitätsmodul des Werkstoffs.

Folgende Merkmale sind für die Gestaltung dieser Platten von wesentlicher Bedeutung.

• a) Die Abmessungen der Platte, d. h. die Stärke (t) und ihre überhängende Länge (1), können so gewählt werden, daß der Krümmungsradius ( ρ ) möglichst groß ist, so daß die Krümmung der Membrane und ihre Spannung verringert wird, indem sie gezwungen wird, der Krümmung der Membrane zu folgen.
• b) Die Platte und die benachbarten Membranen werden entlang einer Achse X-X gebogen, womit die Ansammlung von Spannungen am Punkt (D) der Fig. 9a vermieden wird.
• c) Eine angemessene Länge (1) der Platte kann angesetzt werden, um die Krümmung ( ρ ) zu optimieren, was insbesondere mit der in Fig. 4 dargestellten beträchtlichen Länge (L 1) des Verbindungsgliedes möglich ist.
• d) Die Platten (55 und 56) unterliegen nur der Biegung, die von den Membranen ausgeht, und werden von der Zugkraft (T) nicht beeinflußt, die auf die Gesamtspannung der Verbindungsglieder der Membranen einwirkt.
• e) Die Platten tragen weder zu der von der Kupplung übertragenen Drehkraft bei noch werden sie von ihr beeinflußt. Sie können aus einem anderen Werkstoff hergestellt werden als er normalerweise für die Membranen verwendet wird und daher gehärtet und vergütet werden, um Biegespannungen aufzunehmen, die über das normalerweise für die Membranen vorgeschriebene Maß hinausgehen.
• f) Die beschriebenen Platten wirken vorzugsweise als elastische Glieder, sind also üblicherweise in ihrem unbelasteten Zustand eben. Alternativ können sie vorgeformt gefertigt werden, wie bei der Platte (55) dargestellt.

Claims (5)

1. Gelenkkupplung zum Verbinden von Wellen mit einer metallischen Antriebs- und einer metallischen Abtriebsscheibe, die untereinander durch wenigstens einen metallischen Membranring (oder Membranringstapel) verbunden sind, wobei der Membranring einerseits mit Hilfe einer ersten Gruppe von über den Umfang paarweise gleichmäßig verteilten Verbindungsschrauben an der Antriebsscheibe und andererseits mit Hilfe einer zweiten Gruppe von über den Umfang paarweise gleichmäßig verteilten und mit den Verbindungsschrauben der ersten Gruppe in Umfangsrichtung verschachtelten Verbindungsschrauben an der Abtriebsscheibe befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebs- und Abtriebsscheibe (34, 35) durch wenigstens zwei parallel geschaltete Membranringe (29) verbunden sind, die in einer um die halbe Teilung oder weniger zwischen benachbarten Verbindungsschrauben (21, 23 bzw. 25, 27 und 22, 24 bzw. 26, 28) einer Gruppe gegeneinander versetzten Umfangslage angeordnet sind, daß die Verbindungsschrauben (21 bis 28) der beiden Membranringe (29) auf einem oder benachbarten konzentrischen Teilkreisen liegen und daß die Membranringe (29) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verbindungsschrauben (z. B. 21 und 27) an ihrem Umfang jeweils eine taillenartige Einschnürung mit einer solchen Tiefe aufweisen, daß die Umfangskante an der radial inneren Seite der Verbindungsschrauben (28) des jeweils anderen Membranringes (29) verläuft.

2. Gelenkkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Membranring (29) in Umfangsrichtung mehrteilig ausgebildet ist.

3. Gelenkkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Membranring (29) aus einer Anzahl von gleichen Gliedern gebildet ist, die der Anzahl der zugehörigen Verbindungsschrauben entspricht.

4. Gelenkkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Klemmbefestigungsstellen der Membranringe, d. h. an den Verbindungsschrauben, beiderseits der Membranring Stützplatten (55, 56) aus Metall angeordnet sind.

5. Gelenkkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützplatten (55, 56) biegeelastisch ausgebildet sind.