DE3830243C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Reibungskupplung als drehfestes Verbindungselement zwischen einem Drehantrieb und einem anzutreibenden Aggregat mit je einer Kontaktfläche auf der Antriebsseite und der angetriebenen Seite der Kupplung, welche zur Herstellung einer drehfesten Verbindung in kraft­ schlüssigen Reibkontakt bringbar sind.

Reibungskupplungen, bei denen zwei miteinander zusammen­ wirkende Kontaktflächen zur Herstellung einer kraftschlüs­ sigen Drehverbindung gegeneinander gepreßt werden, sind bekannt. Da derartige Kupplungen bezüglich des übertragbaren Drehmoments durch entsprechende Bemessung begrenzbar sind, können sie auch als bei Überlastung durchrutschende Sicher­ heitskupplungen verwendbar sein. Um etwa bei Extruderantrie­ ben in der Kunststoffverarbeitung die beispielsweise bei eingefrorener Extruderfüllung durch die Wärmeentwicklung der durchrutschenden Kupplung drohende Schädigung oder sogar Zerstörung der gegeneinander reibenden Kupplungskontakt­ flächen oder auch der Kupplung selbst zu verhindern, ist dann jedoch zur Überwachung eine Sicherheitskupplung oder eine andere Überwachungseinrichtung erforderlich, durch die bei­ spielsweise der Antrieb abgeschaltet wird.

Bekannte Überwachungseinrichtungen sind sehr kostenintensiv und neigen überdies zu Fehlschaltungen. Auch sind Störungen etwa durch das Einfrieren der Extruderfüllung sehr selten.

Derartige Einrichtungen, wie etwa in Abhängigkeit von der Tempe­ ratur selbsttätig wirkende Reibungskupplungen mit jeweils einer Kontaktfläche auf treibender und getriebener Seite, bei denen die Kontaktflächen der Reibungskupplung über mindestens ein formveränderliches Bimetallelement temperaturabhangig lösbar verbunden sind, sind beispielsweise in der DE-OS 23 12 636, der DE-AS 12 21 859 und dem DE-GM 19 76 015 beschrieben. Bei Bime­ tallelementen sind momentane Verformungsgröße und Anpreßkraft temperaturabhängig, weshalb beispielsweise bei der DE-OS 23 12 636 die kontinuierlich der Temperatur folgende Formänderung der Bimetallelemente für die temperaturabhängige Veränderung des übertragbaren Drehmoments genutzt wird, während diese Eigen­ schaft bei der in der DE-AS 12 21 859 ebenso wie bei der in dem DE-GM 19 76 015 beschriebenen Vorrichtung ebenfalls wirksam, aber ohne oder doch von geringer Bedeutung ist.

Im allgemeinen besteht jedoch das Erfordernis, daß die Kupplung bei normalem Betrieb auch um einen Sicherheitsbereich über das vorgesehene Maximalmoment hinaus fest bleibt, d.h. ohne Schlupf arbeitet und nur in Störfällen, bei denen Zerstörung oder Schä­ digung von Maschinenteilen droht, nachgibt. Die dabei in der Regel auftretende starke Wärmeentwicklung verlangt aber - etwa bei Blockierung der angetriebenen Maschine ein rasches Lösen der Kupplung bzw. des Antriebs, was durch die in dem beschrie­ benen Stand der Technik verwandten Mittel nicht immer gewähr­ leistet ist. Zwar ist durch die DE 28 49 884 A1 eine Vorrich­ tung bekannt, bei der ein thermisch formveränderliches Betäti­ gungselement ein Sperrelement betätigt, die dort beschriebene Lösung ist jedoch umständlich und aufwendig und außerdem zum Aufbringen größerer Betätigungskräfte kaum in der Lage.

Daher besteht ein starkes Bedürfnis für eine einfache und genü­ gend betriebssichere Möglichkeit, beim Eintreten eines solchen Störfalles die Zerstörung oder Schädigung der Kupplungsverbin­ dung durch Trennung von Antrieb und blockierter Maschine zu verhindern.

Die Schaffung einer derartigen Möglichkeit ist daher Aufgabe der Erfindung. Sie wird erfindungsgemäß durch eine Reibungs­ kupplung entsprechend Anspruch 1 gelöst. Vorteilhaft bestehen die Aktivierungsglieder aus einem mit wiederholbarem Memory- Effekt ausgestatteten SMA-Metall, so daß sie nach Abkühlung der Kupplung diese selbständig wieder aktivieren. Die Sicher­ heitskupplung weist also formschlüssig eingrei­ fende Elemente aus "(shape-)memory"-Metallen auf.

Bei der erfindungsgemäßen Reibungskupplung ist eine der beiden Kontaktflächen als selbständiger Zwischenkörper zwischen dem ihr zugehörigen Kupplungsteil und der zweiten Kontaktfläche ausgebildet und das Aktivierungsglied ein am Zwischenkörper befestigtes, sich an dem zugehörigen Kupplungsteil abstützendes Sperr­ glied. Das aus einem SMA-Metall bestehende Sperrglied geht oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur aus der Sperrform in eine Form über, bei der die Verbindung mit dem zugehörigen Kupplungsteil aufgehoben ist. Bevorzugt ist der selbständige Zwischenkörper ein Rotationskörper, über dessen Umfang verteilt die Sperrglieder vorgesehen sind.

Zur Vergleichmäßigung der Wirkung, zur Vermeidung von Unwuch­ ten und auch im Hinblick auf die meist niedriger als bei Stahl liegende Materialfestigkeit werden dabei zweckmäßig über den Umfang des selbständigen Zwischenglieds gleichmäßig verteilt zwei oder vorzugsweise mehr Sperrglieder vorgesehen. Bei der zu erwartenden Seltenheit derartiger Ereignisse und auch zur Absicherung gegen vom Maschinenpersonal übersehene Störungen ist es möglich, ein SMA-Material zu verwenden, das sich nur zur einmaligen Formumwandlung eignet, so daß die Aktivierungs- oder Sperrglieder nach Behebung des Schadens ausgetauscht werden müssen. Die Verwendung von SMA-Metallen mit wiederholbarem Memory-Effekt wird jedoch im allgemeinen bevorzugt.

Bei einem Aufbau der Kupplung, bei dem der zugehörige Kupp­ lungsteil und die beiden Kontaktflächen senkrecht zur gemein­ samen Rotationsachse verlaufen, greifen vorteilhaft die mit dem selbständigen Zwischenkörper fest verbundenen Sperr­ glieder in ihrem abgekühlten Zustand in Nuten oder hinter Anschläge, die am Umfang des zugehörigen Kupplungsteils vorgesehen sind. Wird die Kupplung blockiert und erwärmt sich dadurch, so werden die Sperrglieder, sobald ihre Temperatur die materialeigene Phasenumwandlungstemperatur überschreitet, mit großer Kraft aus ihrer Anlage in den Nuten oder an den Anschlägen gelöst und geben die beiden aufeinandergepreßten Kontaktflächen der Kupplung frei.

Bei einer anderen Ausbildungsform der erfindungsgemäßen Reibungskupplung haben die beiden konzentrischen Kontaktflä­ chen eine vorzugsweise kreiszylindrische oder Kegelstumpfform und der selbständige Zwischenkörper weist auf seinem Umfang verteilt Haltenocken auf, die sich ihrerseits gegen an dem zugehörigen Kupplungsteil angebrachte exzentrische, bei­ spielsweise nocken- oder auch knebelförmige, auf jeden Fall frei drehbare Anschläge in Antriebsrichtung anlegen. Die erwähnten Anschläge sind durch auf dem Umfang des Zwischen­ körpers in einer außerhalb der Haltenocken verlaufenden Normalebene gleichmäßig verteilte SMA-Sperrglieder im Be­ triebszustand arretiert. Bei zu starker Erwärmung der Kup­ plung nehmen die SMA-Sperrglieder eine Form an, bei der die drehbaren Anschläge freigegeben werden.

Bei allen Ausführungsformen hat sich als vorteilhaft er­ wiesen, für die Sperrglieder eine Memory-Legierung zu wählen, deren Phasenumwandlungstemperatur in einem Bereich zwischen ca. 70° und ca 160° und vorzugsweise zwischen ca. 80° und 145° liegt. Da der Formwechsel spontan eintritt, ist dabei die Wahl einer relativ nahe bei der stationären Betriebstem­ peratur der Kupplung liegenden Phasenumwandlungstemperatur zweckmäßig. Ob dabei ein SMA-Metall mit einmaligem oder mit wiederholbarem Memoryeffekt gewählt wird, hängt von den jeweiligen Gegebenheiten ab und ist für die erfindungsgemäße Lehre von untergeordneter Bedeutung. Der einmalige Memory- Effekt bedingt zwar den Austausch des oder der Aktivierungs­ glieder, bietet jedoch Sicherheit bei einer unbeachteten Störung. Demgegenüber geht beim wiederholbaren Memory-Effekt das einzelne Aktivierungsglied nach Abkühlung wieder in seine Betriebsstellung selbsttätig zurück und die Kupplung ist nach Beseitigung der Störung und ggf. nach Verbringen der Sperr­ nocken oder dergl. in Betriebsstellung wieder betriebsbereit.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spielen wird die erfindungsgemäße Reibungskupplung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Schnitt durch eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reibungskupplung;

Fig. 2 Sicht entsprechend Pfeil II, Fig. 1, auf eine ähnlich wie die in Fig. 1 dargestellte aufgebaute Kupplung;

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsge­ mäßen Reibungskupplung;

Fig. 4 Draufsicht auf ein Aktivierungsglied der Ausfüh­ rungsform nach Fig. 3.

Die Fig. 1 zeigt den Aufbau einer Reibungskupplung, wie sie beispielsweise bei Extruderantrieben anzutreffen sind. Das einen Teil des abtriebsseitigen Kupplungsteils bildende Kupplungsrohr 4 ist auf den Endbereich der Abtriebswelle 6 aufgesetzt und durch eine Paßfeder 11 gegen Verdrehung sowie durch nicht dargestellte Mittel gegen axiale Verschiebung gesichert. Ein im mittleren Bereich des Kupplungsrohrs 4 vorgesehener Kupplungskonus 9 kann - wie dargestellt - Teil des Kupplungsrohres 4 bilden oder auf dieses drehfest auf­ gesetzt sein. Im Endbereich der Abtriebswelle 6 ist auf dem Kupplungsrohr 4 mit Hilfe einer Lagerung 3 eine Mehrfach- Keilriemenscheibe 1 für den Antrieb gelagert und gegenüber dem Kupplungsrohr 4 axial festgelegt.

Auf der gegenüberliegenden (in der Zeichnung rechten) Seite ist auf das Kupplungsrohr 4 ein axial beweglicher Spannring 8 geschoben, der in Form und Abmessungen dem Kupplungskonus 9 im wesentlichen spiegelbildlich gleich ist. Mittels einer dargestellten, jedoch nicht näher bezeichneten Paßfeder ist der Spannring 8 gegen Relativdrehung zum Kupplungsrohr gesichert. Die konisch geformten, als Kontaktflächen 18 wirkenden Außenflächen von Spannring 8 und Kupplungskonus 9 bilden zusammen eine flache Keilnut, in die ein Reibring oder Reibkörper 5 eingelegt ist. In eine in seiner im wesentli­ chen kreiszylindrischen Außenfläche vorgesehene Ringnut ist eine Spannfeder 7 eingelegt, die den Reibkörper 5 in die Keilnut hineinzudrücken bestrebt ist. Außerdem wirkt gegen den Spannring 8 eine hier in Form einer Tellerfeder vor­ gesehene Druckfeder 14, deren Vorspannung mittels des in einem Gewinde 10 laufenden und mittels der Feststellschraube 13 zu sichernden Stellringes 12 festgelegt werden kann.

Im wesentlichen konzentrisch zu Spannring 8 und Kupplungsring 9 umgibt den Reibring 5 ein Zwischenkörper 15, der bei der dargestellten Ausführungsform mit seiner kreiszylindrischen inneren Kontaktfläche 19 mit im allgemeinen leichtem Reibkon­ takt mit dem Reibkörper 5 als sozusagen schwimmend auf diesem gelagert erscheint; im allgemeinen ist es jedoch zweckmäßig, ihn frei um die Kupplungsachse drehbar zu lagern, was etwa auf dem Kupplungsrohr 4 oder an der das zugehörige Kupplungs­ teil 31 bildenden Wand der Keilriemenscheibe 1 geschehen kann.

In der Zeichnung und im bisherigen Text sind die konischen Oberflächen von Spannring 8 und Kupplungsring 9 sowie die radial nach innen weisende Oberfläche des Zwischenkörpers 15 als Kontaktflächen 18, 19 bezeichnet, weil der Reibkörper 5 im Prinzip gegenüber beiden eine verhältnismäßig unkontrol­ lierte Relativdrehung jedenfalls dann ausführen kann, wenn die Kupplung gelöst ist. Eine Relativdrehung zwischen Reib­ körper 5 und Zwischenkörper 15 ist damit jedoch nicht aus­ geschlossen und wird in der Regel bei gelöster Kupplung die normalerweise stattfindende sein.

Erfindungsgemäß sind nun an der radialen Wand 31 der Keil­ riemenscheibe 1 Anschläge 20 vorgesehen, die frei drehbar auf mit der Wand 31 verschraubten und beispielsweise durch Kontermuttern 23 gesicherten Gewindestiften 22 als Schwenk­ achsen sitzen. Diese wirken mit auf dem Außenumfang des Zwischenkörpers 15 vorgesehenen Haltenocken 16 zusammen, indem sie bei eingerückter Kupplung und in Drehung versetzter Riemenscheibe 1 über diese Haltenocken 16 den Zwischenkörper 15 und damit das angetriebene Aggregat mitnehmen. Hierzu ist jedoch erforderlich, daß die Anschläge 20 während des norma­ len Betriebes in ihrer Betriebsstellung gem. Fig. 2 gehalten werden.

Hierzu sind ebenfalls auf dem Außenumfang des Zwischenkörpers 15 die erfindungsgemäßen Aktivierungs- oder Sperrglieder 17 aus einem SMA-Metall befestigt. Sie sind jedoch bei der dar­ gestellten Ausführungsform (Fig. 1) wegen ihrer zur Überdec­ kung mit den Haltenocken 16 führenden Länge axial nach rechts soweit verschoben, daß sie (Fig. 1) neben diesen (16) liegen. Die Sperrglieder 17 sind mit ihrem vom Anschlag 20 weg gele­ genen Ende fest mit dem Zwischenkörper 15 verbunden. Sie haben die Form eines rechteckigen Streifens, der sich vom Ort seiner Befestigung aus gerade erstreckt und mit seinem freien Ende am Anschlagnocken 21 des Anschlags 20 anliegt. Dieser ist damit in der in Fig. 2 gezeigten Stellung festge­ legt, so daß eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Zwischenkörper 15 und dem zugehörigen Kupplungsteil 31 besteht.

Wird nun durch irgendein Ereignis, beispielsweise durch Ein­ frieren eines über die Abtriebswelle 6 angetriebenen Extru­ ders, diese Welle 6 blockiert, so setzt starke Wärmeentwick­ lung ein, da der Zwischenkörper 15 zusammen mit der Riemen­ scheibe 1 weiter rotiert und daher der an beide Kontaktflä­ chen 18, 19 weiter angepreßte Reibkörper 5 sich relativ ent­ weder gegenüber den konischen Kontaktflächen 18 oder gegen­ über der Kontaktfläche 19, der Innenfläche des Zwischenkör­ pers 15, bewegt. Sobald nun der Zwischenkörper 15 und zusam­ men mit diesem die Sperrglieder 17 durch die Wärmeentwicklung eine Temperatur erreicht haben, welche der Phasenumwandlungs­ temperatur des für die Sperrglieder 17 verwendeten SMA- Metalls entspricht, gehen die einzelnen Sperrglieder in ihre Memory-Form 17 A über und ihre freien Enden legen sich so an die Oberfläche des Zwischenkörpers 15 an, daß die Anschlag­ nocken 21 der Anschläge 20 freigegeben werden und die An­ schläge 20 aus ihrer Sperrlage herausgedreht werden können; der Zwischenkörper 15 kann sich nun mitdrehen und die Gefahr einer Schädigung oder gar Zerstörung ist gebannt.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeigen die Fig. 3 und 4. Bei dieser verlaufen - wie meist üblich - die bei­ den Kontaktflächen 18, 19 und die zugehörigen Kupplungsteile 26, 31 im wesentlichen senkrecht zur gemeinsamen Rotations­ achse und werden im eingerückten Zustand durch zur Wahrung der Übersichtlichkeit nicht dargestellte Kupplungsfedern zusammengepreßt. Der selbständige Zwischenkörper 15 liegt unter Wirkung der Kupplungsfeder(n) mit seiner Kontaktfläche 19 unter festem Reibungsschluß an der Kupplungsscheibe 26 an, hat jedoch zu seiner zugehörigen Kupplungsscheibe 31 einen derartigen Mindestabstand, daß die beiden benachbarten radialen Flächen sich nicht berühren.

Auch bei dieser Ausführungsform sind die erfindungsgemäßen, aus einem SMA-Metall bestehenden Sperrglieder 25 auf dem Umfang des Zwischenkörpers 15 vorgesehen und erstrecken sich in Umfangsrichtung. Sie haben hier eine der Rundung der Zwischenkörperoberfläche angepaßte Form, so daß die mit ihrem linken Ende auf der Oberfläche befestigten SMA-Metallstreifen sich im Normalzustand an die Oberfläche des Zwischenkörpers 15 anlegen. Die zugehörige Kupplungsscheibe 31 ist auf ihrem Umfang mit axial verlaufenden, über den Zwischenkörper 15 greifenden Anschlägen 24 versehen, deren Außenumfang sich im wesentlichen mit dem Außenumfang der Sperrglieder 25 deckt.

Die Sperrglieder 25 weisen bei der Ausführungsform der Fig. 3 und 4 an ihrem freien Ende eine sich zur zugehörigen Kupplungsscheibe 31 hin erstreckende Kontaktnase 29 auf, die in axialer Richtung die Länge des Anschlags 24 im wesentli­ chen überdeckt. Der übrige Teil des Sperrglieds 25 hat Streifenform und das Sperrglied 25 ist so auf dem Umfang des Zwischenkörpers befestigt, daß sich dieser Teil des Sper­ rglieds 25 in axialer Richtung neben den Anschlägen 24 befindet (Fig. 4).

Wird nun die Abtriebswelle 6 der Kupplung blockiert und tritt dadurch eine Erwärmung der Sperrglieder 25 auf Phasenum­ wandlungstemperatur ein, so nehmen diese eine gestreckte Form 25 A ein und die Anschläge 24 werden freigegeben und können sich unter den Nasen 29 wegbewegen.

In allen Fällen ist dabei zweckmäßig für die verwendeten Teile aus einem SMA-Metall eine solche Legierung zu wählen, deren Phasenumwandlungstemperatur in einem Bereich zwischen ca. 70° und ca. 160° und vorzugsweise zwischen ca. 80° und 145° liegt.

Claims (5)

1. Reibungskupplung als drehfestes Verbindungselement zwischen einem Drehantrieb und einem anzutreibenden Aggregat mit je einer Kontaktfläche auf der Antriebsseite und der angetrie­ benen Seite der Kupplung, welche zur Herstellung einer drehfesten Verbindung in kraftschlüssigen Reibkontakt bringbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine der beiden Kontaktflächen (18; 19) als selbständiger Zwischenkörper (15) zwischen dem ihr zugehörigen Kupp­ lungsteil (31) und der zweiten Kontaktfläche (19; 18) ausgebildet und das Aktivierungsglied (17; 25) ein an dem Zwischenkörper (15) befestigtes, sich an dem zugehörigen Kupplungsteil (31) abstützendes, aus einer Metallegierung mit Formerinnerungsvermögen (shape-memory metal alloy, SMA) bestehendes, einen Formschluß herstellendes Sperrglied (17; 25) ist, und
daß das Sperrglied (17; 25) oberhalb seiner Phasen­ umwandlungstemperatur aus der Sperrform (17; 25) in eine Form (17 A; 25 A) übergeht, bei der der Formschluß mit dem zugehörigen Kupplungsteil (31) aufgehoben ist.

2. Reibungskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der selbständige Zwischenkörper (15) ein Rotationskörper ist, über dessen Umfang verteilt zwei oder mehr mit dem zugehörigen Kupplungsteil (31) zusammenwirkende Sperr­ glieder (17; 25) vorgesehen sind.

3. Reibungskupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zugehörige Kupplungsteil (31) und die beiden Kontakt­ flächen (18, 19) senkrecht zur gemeinsamen Rotationsachse verlaufen und das bzw. die mit dem selbständigen Zwischen­ körper (15) fest verbundenen Sperrglieder (25) im abgekühl­ ten Zustand in Nuten oder hinter Anschläge (24) greifen, die am Umfang des zugehörigen Kupplungsteils (31) vorgese­ hen sind.

4. Reibungskupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kontaktflächen (18, 19) konzentrisch, vorzugs­ weise kreiszylindrisch oder kegelstumpfförmig sind, der selbständige Zwischenkörper (15) auf seinem Umfang verteilt Haltenocken (16) aufweist, die gegen exzentrische, bei­ spielsweise nockenförmige, frei drehbare Anschläge (20) an dem zugehörigen Kupplungsteil (31) anschlagen, wobei die Anschläge (20) durch auf dem Umfang des Zwischenkörpers (15) verteilt in einer außerhalb der Haltenocken (16) verlaufenden Normalebene vorgesehene SMA-Sperrglieder (17) im Betriebszustand arretiert und bei Erwärmung freigegeben werden und mit dem zugehörigen Kupplungsteil frei umlaufen können.

5. Reibungskupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aktivierungsglieder (17; 25) aus einer Memory-Legierung bestehen, deren Phasenumwandlungstemperatur in einem Be­ reich zwischen ca. 70° und ca 160° und vorzugsweise zwi­ schen ca. 80° und 145° liegt.