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Die Erfindung bezieht sich auf eine Keilnutverbindung zum
Verbinden von zwei drehbaren Gliedern, und insbesondere
auf eine Keilnutverbindung, die eine gesteuerte,
ringförmige Schmierströmungsmittelmasse damit assoziiert
besitzt.
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Das Zerfressen und die fortschreitende Abnutzung von
Keilnutverbindungszähnen ist seit jeher ein Problem und
man hat das Erfordernis erkannt, eine adäquate Schmierung
dafür vorzusehen. Es wurde auch herausgefunden, daß ein
bloßes Gestatten, daß ein Schmierströmungsmittel über die
Keilnutenanordnung läuft, nicht adäquat ist, weil bei
höheren Drehgeschwindigkeiten und Belastungen das
Schmierströmungsmittel so schnell nach außen geworfen
wird, daß dieses Phänomen an den Keilnutzahnoberflächen
immer noch auftritt.
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Um die Lebensdauer von Keilnutverbindungen zu verbessern,
wurde Schmierströmungsmittel dorthin in Form einer
ringförmigen Masse geliefert, wobei der effektive
Innendurchmesser der drehenden Masse oft durch einen
ringförmigen Damm benachbart zu einem Ende der Keilnutverbindung
beschränkt ist. Beispielhaft für diese Technik sind die
folgenden US-Patente US-A-3,242,695, US-A-3,301,349, US-
A-3,380,555, US-A-3,589,471, US-A-3,621,937 und
US-A-4,281, 942.
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Eine Abwandlung des genannten Standes der Technik wird
kommerziell genutzt, um ein motorgetriebenes
Schwungradglied und das sich drehende Gehäuseeingangsglied eines
hydrodynamischen Drehmomentwandlers zu verbinden. Ein
Dichtungsring bildet einen Damm an einem Ende der
Keilnutverbindung, und eine radial nach innen weisende
Kammer, die für das Schmierströmungsmittel zugänglich ist,
ist an dem anderen Ende davon angeordnet. Eine Vielzahl
von Durchlässen mit relativ großem Durchmesser sind in
Längsrichtung in dem radial inneren Gehäuseglied
gebildet, die in offener Verbindung mit der Kammer und der
Dichtungsringnut an den gegenüberliegenden Enden der
Keilnutverbindung stehen, sowie auch mit einer radial
nach außen weisenden Öffnungsoberfläche für ein
kontinuierliches Austreten von Strömungsmittel aus dem Bereich
der Keilnutverbindung. Bei dieser Abwandlung ist kein
Versuch vorgesehen, die Strömungsrate des
Strömungsmittelaustritts durch die Durchlässe genau zu steuern,
und das Zentrifugaldruckgefälle ist beschränkt auf im
wesentlichen den Innenseitenradius des Dichtungsrings
und/oder den radial äußeren Teil jedes Durchlasses.
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Es wurde beobachtet, daß eine Keilnutverbindung, die
zwischen einem Schwungradglied und einem davon
angetriebenen Drehmomentwandlergehäuseglied angeordnet ist, eine
wesentliche dynamische Aktivität besitzt. Insbesondere
werden die inneren und äußeren Zähne der
Keilnutverbindung tatsächlich aus der normalen Eingriffsrichtung
zurückgeworfen und dann in einer pulsierenden Weise
wieder in Eingriff gebracht, und zwar während gewissen
Teilen des Betriebsdrehzahlbereichs des Systems. Um diese
zyklische Aktivität bei hoher Geschwindigkeit dynamisch
zu dämpfen, wurde die Keilnutverbindung in eine
ringförmige Schmierströmungsmittelmasse mit einer radialen
Tiefe eingetaucht, die ausreichend war, um ein größeres
Zentrifugaldruckgefälle vorzusehen als das, welches zum
einfachen Schmieren der Keilnutverbindung benötigt wird.
In diesem Fall sah ein interner Damm einen festen,
minimalen Innenradius der Strömungsmittelmasse um die
Keilnutverbindung vor, und es wurde nicht versucht,
Strömungsmittel durch die Keilnuten zu zirkulieren. Jedoch
waren experimentelle Testergebnisse unbefriedigend am
gewünschten dazwischenliegenden inneren Radiuswert der
Strömungsmittelmasse.
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In Hochgeschwindigkeitsanwendungen kann die
Zentrifugalwirkung auf die Schmierströmungsmittelmasse trennende
Kräfte einer signifikanten Größe parallel zu der
Drehachse und auf das Schwungradglied und das Gehäuseglied
wirkend hervorrufen und diese Kräfte wirken auf die
Lager, die die Glieder tragen. Infolgedessen war es
erwünscht, die radiale Tiefe der Strömungsmittelmasse
und/oder den inneren effektiven Radius davon zu
beschränken, um solche Kräfte zu minimieren.
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Entsprechend wurde eine geschmierte Keilnutverbindung
benötigt, mit einer relativ einfachen und
wirtschaftlichen Konstruktion, die wirksam und steuerbar eine
viskose Dämpfung der zyklisch auftretenden
Torsionsschwingungen des Systems vorsieht, sowie die Abnutzung
der Keilnuten vermindert. Die Keilnutverbindung sollte
das gewünschte Zentrifugaldruckgefälle vorsehen, während
es nicht einen vorgewählten maximalen Gefällebereich
überschreitet, um die Schubbelastungen auf die Lager zu
minimieren, und sie sollte kontinuierlich und steuerbar
frisches Schmierströmungsmittel durch die Keilnuten
zirkulieren, um Luftbeimischungs- oder Belüftungsprobleme
und/oder Kavitationsprobleme zu minimieren und die
Selbstreinigung zu unterstützen, so daß sich schädliches
Material nicht über eine wesentliche Zeitperiode in
relativ abgeschlossenen Taschen oder Nischen sammelt.
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US-A-1616034 zeigt eine geschmierte Keilnutverbindung,
die beim Gebrauch in einer ringförmigen Masse von
Schmierströmungsmittel auf eine radiale Tiefe eingetaucht
ist, um ein größeres Zentrifugaldruckgefälle vorzusehen
als das, welches zum einfachen Schmieren der Verbindung
benötigt wird, zum Verbinden erster und zweiter Glieder,
die drehbar um eine Mittelachse sind, wobei das erste
Glied eine innere Keilnutenanordnung definiert, wobei das
zweite Glied eine äußere Keilnutenanordnung definiert,
die mit der inneren Keilnutenanordnung in Eingriff steht
und für die Schmierströmungsmittelquelle zugänglich ist,
wobei die geschmierte Keilnutenverbindung folgendes
aufweist: Dammittel zum Verhindern von Strömungsmittelfluß
an einem Ende der Keilnutenanordnungen; eine radial nach
innen weisende Ringkammer, die an dem anderen Ende der
Keilnutenanordnungen angeordnet ist und mit der
Strömungsmittelquelle in Verbindung steht; erste Mittel zum
Festsetzen eines vorgewählten, minimalen Innenradius R
der ringförmigen Strömungsmittelmasse, in die die
Keilnutenanordnungen eintauchen und welche das maximale
Zentrifugaldruckgefälle davon auf einen vorgewählten
Wertebereich beschränken, der der Drehgeschwindigkeit der
Keilnutenanordnungen entspricht; und zweite Mittel zum
steuerbaren Ablassen der Strömungsmittelmasse mit einer
Ablaßrate, die geringer ist als die verfügbare
Schmierströmungsmittelzufuhr bzw. -versorgung zu der
Ringkammer und an einer radial außerhalb des Radius R
gelegenen Stelle, so daß nur ein Teil der Strömungsrate zu
der Ringkammer ständig radial nach außen weggeschleudert
wird infolge der Zentrifugalkraft und frisches
Ersatzströmungsmittel durch die Keilnutenanordnungen zirkuliert
wird; und wobei gemäß der vorliegenden Erfindung eine
derartige Keilnutenverbindung dadurch gekennzeichnet ist,
daß die Dammittel durch einen Dichtungsring vorgesehen
sind zum Verhindern eines Strömungsmittelaustritts
zwischen den Gliedern und abdichtend mit dem ersten und dem
zweiten Glied verbunden sind; wobei die ersten Mittel
eine zylindrische Oberfläche, die durch das zweite Glied
definiert wird, und eine Vielzahl von radial orientierten
Durchlässen umfassen, die zu der zylindrischen Oberfläche
hin offen sind; und wobei die zweiten Mittel eine
Vielzahl allgemein in Längsrichtung orientierter
Ablaßdurchlässe
umfassen, die in dem zweiten Glied definiert sind,
und wobei jeder der Ablaßdurchlässe eine
strömungsbegrenzende Zumeßöffnung an deren Auslaß besitzt.
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Durch Steuern der Strömungsmittelaustrittsrate aus der
Strömungsmittelmasse wird bewirkt, daß relativ sauberes
und/oder keine Luft aufweisendes Strömungsmittel
kontinuierlich und gleichmäßiger über die eingetauchten
Keilnutenanordnungen verteilt wird. Dies verbessert
deutlich die viskosen Dämpfungseigenschaften der Verbindung,
vermindert Abnutzung und hält die axialen Schubkräfte
infolge des Zentrifugaldruckgefälles auf annehmbarem
Niveau.
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In der beigefügten Zeichnung zeigt:
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Fig. 1 eine Teilschnittansicht in Längsrichtung, gesehen
entlang der Mittelachse einer geschmierten
Keilnutverbindung, die gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist, und zwar in Verbindung mit
einem motorgetriebenen Schwungrad und einem davon
angetriebenen Drehmomentwandler;
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Fig. 2 eine vergrößerte Teilschnittansicht in
Längsrichtung der in Fig. 1 gezeigten Keilnutverbindung,
die Einzelheiten der Strömungsmitteldurchlässe
zeigt, die in den Gliedern davon gebildet sind;
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Fig. 3 eine Querschnittansicht entlang der Linie III-III
in Fig. 2; und
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Fig. 4 eine vergrößerte Teilschnittansicht in
Längsrichtung eines alternativen Ausführungsbeispiels des
Gehäuseglieds, das anstatt des in Fig. 2
gezeigten Gehäuseglieds verwendet werden kann, um
eine geschmierte Keilnutverbindung zu bilden, die
gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist.
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Mit Bezug auf Fig. 1 ist eine geschmierte
Keilnutverbindung 30 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, und
zwar in der als Beispiel gegebenen Verbindung mit einem
motorgetriebenen Schwungradglied 32 und einem
angetriebenen rohrförmigen Gehäuseglied 34 eines herkömmlichen
hydrodynamischen Drehmomentwandlers 36, von dem nur ein
Teil gezeigt ist. Der Drehmomentwandler wird durch das
Gehäuseglied 34 angetrieben und besitzt ein Ausgangs-
oder Abtriebselement 38, das antriebsmäßig mit einem
innen gezahnten Ringzahnrad 40 eines Planetengetriebesatzes
42 verbunden ist. Der Planetengetriebesatz umfaßt ein
Sonnenrad 44, das lösbar mit dem Schwungradglied 32 über
eine Keilnutverbindung 46 verbunden ist, und eine
Vielzahl von Planetenrädern 48, von denen eines gezeigt ist,
steht ineinandergreifend mit dem Ringzahnrad und dem
Sonnenrad in Eingriff. Die Planetenräder sind drehbar von
einem Planetenträger 50 getragen, der zur Drehung mit
einer Ausgangs- oder Abtriebswelle 52 verbunden ist. Der
Planetengetriebesatz bildet einen mechanischen
Drehmomentteiler, der in erster Linie nur deswegen von
Interesse ist um anzuzeigen, daß eine Quelle 54 von unter
gesetztem Schmierströmungsmittel wirksam ist, für das
Strömungsmittel eine Verbindung zu bilden mit einem
Mitteldurchlaß 56, der in der Ausgangswelle 52 definiert
ist, und mit einem Durchlaß 58, der zwischen der
Ausgangswelle und dem Wandlerausgangselement 38 definiert
ist. Somit wird ein Strömungsmittel, wie beispielsweise
Öl, zu den Elementen des Planetengetriebesatzes geleitet
zur Schmierung davon und ist in großzügiger Menge in
einer Kammer 60 verfügbar, die innerhalb des
Schwungradglieds 32 und des Gehäuseglieds 34 definiert ist.
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Wie am besten in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, definiert
das erste Schwungradglied 32 der Keilnutenverbindung 30
eine innere Keilnutenanordnung 62, und das zweite
Gehäuseglied 34 definiert eine äußere Keilnutenanordnung 64,
die ineinandergreifend mit der inneren
Keilnutenanordnungen in Eingriff steht. Diese Keilnutenanordnungen sind
allgemein konzentrisch angeordnet bezüglich einer in
Längsrichtung orientierten Mittelachse 66. Das
Schwungradglied 32 definiert ferner eine ringförmige
Seitenwand 68, die senkrecht zu der Mittelachse steht, und
zwar benachbart zu einem Ende der Keilnutenverbindung,
sowie eine innere zylindrische Oberfläche 70, die
benachbart zu dem anderen Ende davon ist.
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Eine ringförmige Nut 72 ist in dem Gehäuseglied 34
zwischen der äußeren Keilennutanordnung und einem
Stützflansch 74 definiert, und Dichtungsmittel 75 sind an
einem Ende der Keilnutenanordnungen vorgesehen, um Strom
zwischen den Gliedern 32 und 34 zu verhindern, zwischen
denen eine Relativbewegung auftreten kann. Die
Dichtungsmittel umfassen einen Dichtring 76, der in der Nut sitzt
und der einen wirksamen Dichtungskontakt mit der
zylindrischen Oberfläche 70 des Schwungradglieds 32 herstellt.
Vorzugsweise besteht der Dichtring aus einem Polymer-
oder Elastomer-Material, das geeignet ist, in der
Gegenwart eines Schmierströmungsmittels, wie beispielsweise
Öl, anzuschwellen bzw. sich auszudehnen. Beispielsweise
ist ein bevorzugtes Dichtringmaterial das synthetische
Gummimaterial Viton. Viton ist ein anerkannter Markenname
von E.I. duPont de Nemours & Co., Inc . .
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Das Gehäuseglied 34 definiert auch eine Endwand 78, die
zu der Seitenwand 68 weist und definiert damit und mit
dem Schwungradglied 32 eine radial nach innen weisende
Ringkammer 80. Diese Kammer wird mit
Schmierströmungsmittel versorgt durch die Zentrifugalwirkung der sich
drehenden Glieder.
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Die Keilnutenverbindung 30 umfaßt erste Mittel oder eine
innere, ringförmige Barriere, wie es allgemein durch das
Bezugszeichen 84 gezeigt ist, zum Festsetzen eines
vorgewählten, minimalen, inneren Radius R von der
Mittelachse 66 einer ringförmigen Strömungsmittelmasse 86, die
um die Keilnutenanordnungen 62 und 64 herum eingefangen
ist und in die diese eingetaucht sind. Die ringförmige
Barriere 84 beschränkt dadurch das maximale
Zentrifugaldruckgefälle auf einen vorgewählten Wertebereich, der der
Drehgeschwindigkeit der Keilnutenverbindung entspricht,
und signifikanterweise umfaßt die Keilnutenverbindung
ferner zweite Mittel oder eine Ablaßeinrichtung 88 zum
steuerbaren Ablassen der Strömungsmittelmasse radial nach
außerhalb des Radius R, so daß ein Teil davon ständig
radial nach außen weggeschleudert wird infolge der
Zentrifugalkraft und frisches Ersatzströmungsmittel durch
die Keilnutenverbindung 30 zirkulieren kann.
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Genauer umfaßt die innere, ringförmige Barriere 84 eine
innere zylindrische Oberfläche 90, die innerhalb des
Gehäuseglieds 34 gebildet ist, die im wesentlichen den
Innenradius R von der Mittelachse 66 aus definiert, wie es
in Fig. 2 gezeigt ist. Eine Vielzahl von radial
orientierten Durchlässen 92 wird auch vollständig durch das
Gehäuseglied definiert, wobei die Durchlässe mit der
Oberfläche 90 und einer äußeren Umfangsoberfläche 91 des
Gehäuseglieds in Verbindung stehen, um die Menge des auf
der Innenoberfläche 90 gesammelten
Schmierströmungsmittels auf einen im wesentlichen festen Wert zu
beschränken.
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Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt ist, umfaßt die
Keilnutverbindungsablaßeinrichtung 88 eine Vielzahl von
allgemein in Längsrichtung orientierten Ablaßdurchlässen 94,
die in dem Gehäuseglied definiert sind, und individuell
innerhalb eines Zahnes der äußeren Keilnutenanordnung 64
beabstandet sind. Jeder dieser Ablaßdurchlässe besitzt
einen ersten Einlaß 96 an einem Ende der Keilnutenverbindung
30,
das mit der Kammer 80 in Verbindung steht,
und einen zweiten Einlaß 98 in offener Verbindung mit der
Dichtringnut 72 zwischen dem gegenüberliegenden Ende der
Keilnutverbindung und dem Dichtring 76. Auch ist eine
strömungseinschränkende Zumeßöffnung 100 in jedem der
Ablaßdurchlässe definiert, die in offener Verbindung mit
der äußeren Umfangsoberfläche 91 stehen, um die
abgelassene Strömungsmittelmenge in gesteuerter Weise zu
beschränken. Diese Zumeßöffnungen sind so bemessen, daß die
Strömungsmittelablaßrate niedriger ist als die
eintretende Zufuhr, so daß ein vollständiger Torus- oder
Ringkörper aus Strömungsmittel oder eine ringförmige
Strömungsmittelmasse verfügbar ist.
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Fig. 4 zeigt ein erstes alternatives Ausführungsbeispiel
der geschmierten Keilnutverbindung 30, wobei nur das
Gehäuseglied 34' in abgewandelter Form von dem Gehäuseglied
34 in Fig. 2 gezeigt ist. Insbesondere wurden die
Zumeßöffnungen 100' der Ablaßdurchlässe 94' in einer
Längsrichtung parallel zu der Mittelachse gebohrt, so daß sie
die radialen Durchlässe 92 schneiden und in offener
Verbindung damit stehen. Aus Herstellungsgesichtspunkten ist
dies weniger kostspielig, als die Öffnungen 100 in einem
geneigten 45º-Winkel zu bohren, wie es in Fig. 2 gezeigt
ist.
Industrielle Anwendbarkeit
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Beim Betrieb wurde das motorgetriebene Schwungradglied 32
über einen Betriebsbereich von ungefähr 700 bis 2000 upm
gedreht. Tests haben gezeigt, daß, wenn die
Ablaßdurchlässe 94 nicht vorhanden waren und wenn nur die innere,
ringförmige Barriere 84 und die radialen Durchlässe 92
verwendet wurden, die
Strömungsmitteldämpfungseigenschaften der Keilnutverbindung nicht zufriedenstellend
waren. Als jedoch die Keilnutenverbindung 30, die in den
Fig. 2 und 3 gezeigt ist, getestet wurde, wurde
herausgefunden, daß eine sehr wünschenswerte
Strömungsmitteldämpfung erreicht wurde. Man vermutete, daß die
Ablaßdurchlässe 94 ausgesprochen vorteilhaft waren durch
kontinuierliches Ablassen von Schmierströmungsmittel und
eingeschlossener Luft aus dem Bereich der
Keilnutverbindung. Dadurch, daß ständiger Einlaßzugang an beiden Enden
der Keilnutverbindung vorhanden ist, wird bewirkt, daß
jegliches luftaufweisendes Strömungsmittel, das sich dort
befindet, ständig entlang der Ablaßdurchlässe und aus den
strömungsbeschränkenden Zumeßöffnungen 100 strömt. Die
Anordnung der Belüftungsdurchlässe an im wesentlichem dem
radial inneren Teil der Keilnutverbindung ist
vorteilhaft, weil dort proportional mehr Luft und Kavitation
vorhanden ist als an dem radial äußeren Teil, und zwar
auf Grund der Zentrifugalkräfte. Die strombegrenzenden
Zumeßöffnungen gewährleisten, daß die
Strömungsmittelmasse 86 sich in der Kammer 80 auf den Radius R aufbaut
und ein ausreichendes Druckgefälle besitzt, um
signifikante viskose Dämpfungseigenschaften vorzusehen.
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Angesichts des Vorgenannten ist es deutlich, daß die
wirtschaftliche geschmierte Keilnutverbindung 30 der
vorliegenden Erfindung nicht nur erste Mittel 84 umfaßt, die
gewährleisten, daß eine adäquat bemessene ringförmige
Strömungsmittelmasse 86 den gewünschten
Zentrifugaldruckgefällebereich vorsieht, sondern auch zweite
Mittel 88 umfaßt, die unabhängig sind von den ersten
Mitteln, zum kontinuierlichen oder ständigen Ablassen von
Schmierströmungsmittel von den Keilnutenanordnungen 62
und 64 an einer Stelle, die von dem Innenradius der
Strömungsmittelmasse radial nach außen beabstandet ist, so
daß relativ frisches und weniger luftaufweisendes
Strömungsmittel verfügbar ist, um den gewünschten Grad
viskoser Dämpfung für die Keilnutenanordnungen zu bewirken.
Somit ist Schmierströmungsmittel mit den gewünschten
Eigenschaften
mit einem besonders wirksamen Druckbereich
verfügbar, um die einzelnen Keilnutzähne gleichförmiger zu
bedecken, und dennoch werden die Schubbelastungen, die
durch die sich drehende Strömungsmittelmasse erzeugt
werden, auch innerhalb praktischer Grenzen gehalten.
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Weitere Aspekte, Ziele und Vorteile der Erfindung können
aus der Zeichnung, der Offenbarung und den beigefügten
Ansprüchen erhalten werden.