DE3936680C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine schaltbare Zahnkupplung zwi­ schen zwei Anschlußwellen, nämlich einer Antriebs- und einer Ab­ triebswelle, insbesondere zum wechselweisen Zu- und Abschalten mindestens einer Antriebsmaschine bei einem Schiffsantrieb, mit zwei axial unverschiebbaren, jeweils mit einer der Anschlußwel­ len fest verbundenen Kupplungsteilen, welche über Verzahnungen durch mindestens ein axial verschiebbares Kupplungselement mit­ einander kuppelbar sind.

Als Stand der Technik ist bereits ein Schiffsantrieb bekannt, welcher aus einer Gasturbine, Kupplungen, Planetengetriebe, Stirnradgetriebe und der Propellerwelle mit Propeller besteht. (Literaturstelle Sonderdruck aus "Antriebstechnik" 27, 1988, "Axialschwingungen in einem Schiffsantrieb".) Bei diesen bekann­ ten Konstruktionen finden schaltbare Zahnkupplungen Anwendung, insbesondere synchronschaltbare Zahnkupplungen, welche zum wech­ selweisen Zu- und Abschalten der Antriebsmaschinen des betref­ fenden Schiffsantriebes dienen. Die in derartigen Kupplungen an­ geordnete, ein- und ausdrückbare Zahnkupplung wird neben der Be­ lastung aus dem Drehmoment noch zusätzlich durch thermische Deh­ nungen und periodische Axialkräfte beansprucht.

Zur Begrenzung der beiden vorgenannten, zusätzlich axial wirken­ den Kräfte sollen sich die unter Drehmoment belasteten Zähne der Außen- und Innenverzahnung zum funktionsrichtigen Arbeitsab­ lauf axial gegeneinander verschieben können. Um dies zu errei­ chen, muß der Reibungswiderstand zwischen den Zahnflanken über­ wunden werden. Somit hängt die quantitative Begrenzung von der Höhe des Reibungswiderstandes und damit von der Reibungszahl ab.

Die daraus resultierende Zusatzbeanspruchung bei derartigen Zahnkupplungen kann nachteiligerweise zu einer Überlastung füh­ ren, welche im Verlauf des weiteren Betriebes die Reibungszahl erhöht, die Axialverschiebbarkeit der beiden Verzahnungen bloc­ kiert und letztendlich zu einem Kupplungsschaden führt.

Der Reibungswiderstand der Kupplung belastet auch zusätzlich die Getriebekomponenten derartiger Antriebe, wenn beispielsweise die Getrieberadsätze mit Doppelschrägverzahnungen ausgerüstet sind und die thermischen Dehnungen und dynamischen Axiallasten über diese Verzahnungen zu der Kupplung geleitet werden.

Weiterer Stand der Technik ist:

• - ein Schiffsantrieb mit zwei gegenlaufenden Propellern (DE-PS 28 37 044), bei welchem die dort eingesetzten Überholkupplungen zwischen einer Antriebsmaschine und einem Ritzel eines Stirnrä­ dergetriebes den gleichen, unerwünschten Belastungen ausgesetzt sind,
• - eine drehmomentübertragende Kupplungsanordnung zwischen Wellen von miteinander verbundenen Teileinheiten einer Maschinenanlage, wobei eine Membrankupplungsbaugruppe und eine Zahnkupplungsbau­ gruppe in Reihe geschaltet sind (DE-PS 35 35 557). Hier weist die Zahnkupplungsbaugruppe eine außenverzahnte Nabe sowie einen innenverzahnten Zahnring auf, so daß diese bekannte Konstruktion im Gegensatz zum Ausgangspunkt der vorliegenden Konstruktion keine schaltbare Zahnkupplung zwischen zwei Anschlußwellen bein­ haltet.
• - Ein Klauenkupplungsmechanismus zum Einsatz bei allradgetriebe­ nen Fahrzeugen, (DE-OS 38 22 115). Hier sind in einem Gehäuse zwei koaxial zueinander verlaufende Wellen untergebracht, die über miteinander kämmende Kupplungszähne verbunden sind. Es fin­ det eine verschiebbare Kugel-Hülsen-Anordnung Anwendung, durch welche die Verbindung zwischen den Wellen hergestellt wird. Diese bekannte Konstruktion dient zum Umschalten vom Zweirad- auf Vierradantrieb bei einem Fahrzeug, wobei an einen Einsatz als Schiffsantrieb nicht gedacht ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem ein­ gangs genannten Stand der Technik bei Einsatz einer schaltbaren Zahnkupplung Vorkehrungen zu treffen, daß die vorgenannten Über­ lastungen unter Beibehaltung der kompakten Bauweise einer derar­ tigen Zahnkupplung vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das eine unverschiebbare Kupplungsteil auf dem anderen unverschiebbaren Kupplungsteil über mindestens ein Radial-/Axiallager abgestützt und über eine axial-elastische Kupplung mit der benachbar­ ten Anschlußwelle verbunden ist. Hierdurch ergibt sich der Vor­ teil, daß thermische Dehnungen und/oder periodische Axialkräfte, welche beispielsweise in einer Anschlußwelle auftreten, von der axial-elastischen Kupplung aufgenommen werden. Die als Folge der äußerst geringen axialen Federsteife sehr niedrigen Rückstell­ kräfte der axial-elastischen Kupplung werden dabei über den Axialteil eines Lagers und das entsprechende unverschiebbare Kupplungsteil auf die andere Anschlußwelle übertragen und an deren Axiallager abgestützt. Demnach ist die eingedrückte und duruch das Drehmoment belastete Zahnkupplung völlig frei von Axialkräften und entlastet von der Aufgabe, die axialen Zusatz­ belastungen durch Axialverschiebbarkeit zu begrenzen.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet den Anbau der schaltbaren Zahnkupplung an der entgegengesetzten Seite der axial-elastischen Kupplung sowohl an eine doppelt gelagerte An­ schlußwelle als auch an eine einfach gelagerte Anschlußwelle, wobei die zweite Abstützung dieser Welle über ein zusätzliches Lager der Zahnkupplung an der anderen, doppelt gelagerten An­ schlußwelle erfolgt.

Des weiteren ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, das an die axial-elastische Kupplung angebaute, unverschiebbare Kupplungsteil durch ein zweites Lager über das verschiebbare Kupplungselement auf dem anderen axial unverschiebbaren Kupp­ lungsteil abzustützen.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü­ chen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 bis 3 drei verschiedene Ausführungsformen einer erfin­ dungsgemäß synchron schaltbaren Zahnkupplung zwischen zwei Anschlußwellen, im Mittelpunkt, teils gebrochen,

Fig. 4 die axial-elastische Kupplung 14 vor dem Einbau im ent­ spannten Zustand, mit der Kupplungslänge "L".

Fig. 1 stellt in der oberen Hälfte eine synchron schaltbare Zahnkupplung im ausgerückten, in der unteren Hälfte im einge­ rückten Zustand dar.

Eine Anschlußwelle 1, nämlich die Antriebswelle, weist durch Lager 40 und 41 eine doppelte Lagerung auf. An dieser An­ schlußwelle 1 ist ein axial unverschiebbarers Kupplungsteil 2 starr befestigt. Dieses axial unverschiebbare Kupplungsteil 2 besitzt ein Außensteilgewinde 3, in welches ein Innenteilge­ winde 4 eines axial verschiebbaren Kupplungselements 5 ein­ greift. Dieses Kupplungselement 5 ist als Kupplungsmuffe ausge­ bildet.

An der Kupplungsmuffe 5 befindet sich eine Außengeradverzahnung 6 einer ein- und ausrückbaren Zahnkupplung 7 sowie eine Außenge­ radverzahnung 8 für Kupplungsklauen 9.

Die in an sich bekannter Weise ausgebildeten Kupplungsklauen 9 sind in einem Flansch 10 drehbar gelagert. Der Flansch 10 ist mit einem axial unverschiebbaren Kupplungsteil 11 verbunden, welches eine Innengeradverzahnung 12 der Zahnkupplung 7 besitzt.

Das axial unverschiebbare Kupplungsteil 11 ist über einen Lager­ flansch 13 und eine axial-elastische Kupplung 14 an einer ande­ ren, doppelt gelagerten Anschlußwelle 15 befestigt, welche den Abtrieb darstellt.

Das axial unverschiebbare Kupplungsteil 11 ist über ein Radial- /Axiallager 16 des Lageflansches 13 auf dem anderen axial unver­ schiebbaren Kupplungsteil 2 geführt.

Die axial-elastische Kupplung kann als Membrankupplung ausgebil­ det sein, welche eine äußerst geringe axiale Federsteife besitzt und durch eine Scheibe 34 sowie eine Scheibe 35 gebildet ist, welche im Bereich eines Kupplungsinnenteils 22 miteinander ver­ bunden sind.

Aus Fig. 1 geht hervor, daß das eine unverschiebbare Kupplungs­ teil 11 an dem anderen unverschiebbaren Kupplungsteil 2 über mindestens ein Radial-/Axiallager 16 abgestützt ist, wobei das an der Einleitungsseite von Axialkräften liegende, zur Zahnkupp­ lung gehörende, unverschiebbare Kupplungsteil 11 über die axial- elastische Kupplung, d. h. die Membrankupplung 14, mit der be­ nachbarten Anschlußwelle 15 verbunden ist. Hierbei ist der Kupp­ lungsteil 11 an einem Lagerflansch 13 befestigt, welcher einer­ seits einen Teil des Radial-/Axiallagers 16 bildet und anderer­ seits mit der axial-elastischen Kupplung 14 verbunden ist.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung mit ein­ fach gelagerter Anschlußwelle 18, welche die Antriebswelle dar­ stellt. Hierbei ist ein Lager 43 vorgesehen, wobei die An­ schlußwelle 18 wiederum mit einem axial unverschiebbaren Kupp­ lungsteil 2 starr verbunden ist. Es findet die gleiche ein- und ausrückbare Zahnkupplung 7 wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 Anwendung. Das axial unverschiebbare Kupplungsteil 2 weist hierbei einen Wellenfortsatz 20 auf, welcher als Teil einer zweiten Lagerstelle dient. Der andere Teil der zweiten Lager­ stelle wird durch eine Lagernabe 21 eines Zwischenelements 30 gebildet, welches über einen Lagerflansch 19 einerseits mit der axial-elastischen Kupplung 14 und andererseits mit der benach­ barten, doppelt gelagerten Anschlußwelle 15 verbunden ist. Damit bildet der Wellenfortsatz 20 des einen unverschiebbaren Kupp­ lungsteils 2 die Lagerstelle der als Antrieb dienenden, einfach­ gelagerten Anschlußwelle 18.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung ähnlich der Bauform nach Fig. 1, wobei wiederum eine über zwei Lagern 40 und 41 zweifach gelagerte Anschlußwelle 1 als Antrieb eingesetzt wird. Unter besonderen Betriebsverhältnissen, beispielsweise bei einem Winkelversatz der beiden Anschlußwellen 1 und 15, d. h. Antriebswelle und Abtriebwelle, kann es vorteilhaft sein, das eine unverschiebbare Kupplungsteil 11 über ein zweites Lager 17 auf der Kupplungsmuffe 5 und damit auf dem anderen unverschieb­ baren Kupplungsteil 2 abzustützen. Hierbei ist das eine unver­ schiebbare Kupplungsteil 11 mit einem Lagerteil 33 verbunden, welches sich über einen Fortsatz 32 des verschiebbaren Kupp­ lungselements 5 auf einem Stützbereich 31 des anderen unver­ schiebbaren Kupplungsteils 2 abstützt, so daß sich ein weiteres Lager 17 ergibt.

Eine weitere Verbesserung des Überlastungsschutzes wird dann er­ zielt, wenn nach Fig. 1 und 4 die Membrankupplung 14 mit einer kleineren oder größeren Länge "A" (gedrückt oder gezogen) vorge­ spannt eingebaut wird. Die Art dieser Vorspannung ist abhängig von der Einleitungsseite der Axialbelastungen, d. h. welche Seite des Lagers 16, belastet durch die Vorspannkraft der Mem­ brankupplung 14, an dem axial unverschiebbaren Kupplungsteil 2 spielfrei anliegen soll.

Hierbei zeigt Fig. 4 die axial-elastische Kupplung 14 vor dem Einbau im entspannten Zustand und die Kupplungslänge "L".

Die Wirkungsweise des Überlastungsschutzes gemäß der vorliegen­ den Erfindung ist folgende:

Treten thermische Dehnungen und/oder periodische Axialkräfte beispielsweise in der Anschlußwelle 15 auf, werden diese von der axial-elastischen Kupplung 14 aufgenommen. Die als Folge der äußerst geringen axialen Federsteife sehr geringen Rückstell­ kräfte der als Membrankupplung ausgebildeten, axial-elastischen Kupplung 14 werden über den Axialteil des Lagers 16 und das eine unverschiebbare Kupplungsteil 2 auf die Anschlußwelle 1 bzw. 18 nach Fig. 1 bzw. 2 übertragen und als deren Axiallager abge­ stützt. Dadurch ist die eingedrückte und durch das Drehmoment be­ lastete Zahnkupplung 7 vorteilhafterweise völlig frei von Axial­ kräften und entlastet von der Aufgabe, die axialen Zusatz­ belastungen durch Axialverschiebbarkeit zu begrenzen.

Falls in dem Antriebsstrang der Antriebswelle 15 Getriebe, bei­ spielsweise mit Doppelschrägverzahnung, installiert sind, so werden diese Verzahnungen lediglich durch die sehr niedrige Rückstellkraft der axial-elastischen Kupplung 14, zusätzlich zu den Beanspruchungen an den Zahnkräften, belastet.

Sollte die Einleitung der axialen Zusatzbelastung von der Gegen­ seite, d. h. der Anschlußwelle 1 bzw. 18 erfolgen, so ergibt sich die gleiche Entlastung der Zahnkupplung 7.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Zahnkupplung 7 mit Überlast­ schutz erfordert durch die sehr kompakte Bauweise wenig zusätz­ lichen axialen Bauraum. Das zusätzliche Radiallager 20/21 nach Fig. 2 ergibt eine weitere axiale Raumeinsparung.

Die Membrankupplung 14 erlaubt es zudem, die Lagernabe 21 des Zwischenelements 30 nach Fig. 2 im Kupplungsteil 22 anzuordnen, woraus eine raumsparende Konstruktion resultiert.

Die der zeichnerischen Darstellung der Erfindung zugrunde lie­ gende synchronschaltende Zahnkupplung stellt eine an sich be­ kannte Bauart der Firma SSS Gears Ltd., Großbritannien, dar. Es lassen sich jedoch anderen synchron schaltbare Zahnkupplungen im Sinne der vorliegenden Erfindung einsetzen. Weiterhin können die als Gleitlager dargestellten Lager 16 bzw. 20/21 wahlweise auch als Wälzlager ausgestaltet sein.

Das dargestellte Ausführungsbeispiel bezieht sich auf einen Schiffsantrieb. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar in Ge­ trieben zwischen Gasturbinen und Generatoren, um Phasenschieberbe­ trieb zu ermöglichen, in Rotordrehvorrichtungen zum Turnen der Strömungsmaschine oder in Wasserkraftwerken zwischen Turbine und Generator zur Erzielung eines Pumpbetriebes.

Durch die vorliegende Erfindung ergibt sich vorteilhafterweise eine schaltbare Zahnkupplung mit Überlastungsschutz, wobei die kompakte Bauweise einer derartigen Kupplung voll erhalten bleibt.

Claims (12)

1. Schaltbare Zahnkupplung zwischen zwei Anschlußwellen, nämlich einer Antriebs- und einer Abtriebswelle, insbesondere zum wechselweisen Zu- und Abschalten mindestens einer Antriebsma­ schine bei einem Schiffsantrieb, mit zwei axial unverschiebbaren, jeweils mit einer der An­ schlußwellen fest verbundenen Kupplungsteilen, welche über Verzahnungen durch mindestens ein axial verschiebbares Kupp­ lungselement miteinander kuppelbar sind, dadurch gekennzeich­ net, daß das eine unverschiebbare Kupplungsteil (11) auf dem ande­ ren unverschiebbaren Kupplungsteil (2) über mindestens ein Radial-/Axiallager (16) abgestützt und über eine axial- elastische Kupplung (14) mit der benachbarten Anschlußwelle (15) verbunden ist.

2. Zahnkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine unverschiebbare Kupplungsteil (11) mit einem Lagerflansch (13) verbunden ist, welcher einerseits einen Teil des Radial- /Axiallagers (16) bildet und andererseits mit der axial-ela­ stischen Kupplung (14) verbunden ist.

3. Zahnkupplung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine doppelt gelagerte Anschlußwelle (1), welche mit dem anderen un­ verschiebbaren Kupplungsteil (2) verbunden ist, das einen an­ deren Teil des Radial-/Axiallagers (16) bildet.

4. Zahnkupplung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine einfach gelagerte Anschlußwelle (18), welche mit dem anderen unverschiebbaren Kupplungsteil (2) verbunden ist, das einen anderen Teil des Radial-/Axiallagers (16) und einen Teil (20) einer zweiten Lagerstelle für die Anschlußwelle (18) bildet, wobei der andere Teil (21) der zweiten Lagerstelle mit der axial-elastischen Kupplung (14) verbunden ist (Fig. 2).

5. Zahnkupplung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das andere axial unverschiebbare Kupplungsteil (2) einen Wellenfortsatz (20) als einen Teil der zweiten Lagerstelle aufweist, daß der andere Teil der zweiten Lagerstelle durch eine La­ gernabe (21) eines Zwischenelements (30) gebildet ist, wel­ ches über einen Lagerflansch (19) einerseits mit der axial- elastischen Kupplung (14) und andererseits mit der benachbar­ ten Anschlußwelle (15) verbunden ist (Fig. 2).

6. Zahnkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das eine unverschiebbare Kupplungsteil (11) über ein weiteres Lager (17) auf dem verschiebbaren Kupplungs­ element (5) und damit auf dem anderen, unverschiebbaren Kupplungsteil (2) zusätzlich abgestützt ist (Fig. 3).

7. Zahnkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das eine unverschiebbare Kupplungsteil (11) mit einem Lagerteil (33) verbunden ist, welches sich über einen Fortsatz (32) des verschiebbaren Kupplungselements (5) auf einem Stützbereich (31) des anderen unverschiebbaren Kupplungsteils (2) abstützt (Fig. 3).

8. Zahnkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der einen An­ schlußwelle (15) bzw. dem Zwischenelement (19) und dem Lager­ flansch (13) gleich der Breite der entspannten axial-elastischen Kupplung (14) ist.

9. Zahnkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der einen Anschlußwelle (15) bzw. dem Zwischenelement (19) und dem La­ gerflansch (13) größer als sie Breite der entspannten axial-elastischen Kupplung (14) ist.

10. Zahnkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Abstand zwischen der einen An­ schlußwelle (15) bzw. dem Zwischenelement (19) und dem La­ gerflansch (13) kleiner als die Breite der entspannten axial-elastischen Kupplung (14) ist.

11. Zahnkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die axial-elastische Kupplungs als Membrankupplung ausgebildet ist, wobei eine Scheibe (34) der Membrankupplung mit dem Lagerflansch (13) und eine andere Scheibe (35) mit der benachbarten Anschlußwelle (15) bzw. dem Zwischenelement (30) verbunden ist.

12. Zahnkupplung nach Anspruch 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagernabe (21) des Zwischenelements (30) innerhalb des Bereichs eines Kupplungsinnenteils (22) der Membrankupp­ lung (14) angeordnet ist (Fig. 2).