DE4007483A1 - Ueberlastkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Überlastkupplung gemäß den Merkmalen im Oberbegriff des Patentanspruchs.

Derartige Überlastkupplungen vermeiden Schäden an Maschinen. Ihre Integration reduziert Betriebsstörungen mit schwerwie­ genden Folgen, Reparaturen sowie Stillstandszeiten.

Bekannte Bauart einer Überlastkupplung weist Stirnver­ zahnungen mit im Querschnitt trapezförmigen Zähnen auf (Teubners Fachbücher für Maschinenbau "Maschinenteile" Teil 2, Seite 19, 3. Auflage, 1966). Die völlig planen Zahnflan­ ken verlaufen unter einem Winkel α zur Bewegungsrichtung der axial verschieblichen Kupplungshälfte. Auch gehen die Zahn­ flanken scharfkantig in die Zahngründe sowie in die Zahn­ köpfe über.

Die auf der Nabe axial verschiebliche Kupplungshälfte wird durch Federn ständig in Richtung auf die axial unverschieb­ bare Kupplungshälfte belastet. Die Federkraft ist einstell­ bar. Auf diese Weise kann das Nenn-Drehmoment in bestimmten Grenzen fixiert werden.

Obwohl sich die bekannte Bauart einer Überlastkupplung mit im Querschnitt trapezförmigen Zähnen in der Praxis im wesent­ lichen bewährt hat, führt die spezielle Zahnform jedoch dazu, daß in einem Überlastfall die plan ausgebildeten Zahn­ flanken der beiden Kupplungshälften aufeinandergleiten und sich hierbei sowohl in Drehrichtung als auch axial zueinan­ der relativ verlagern. Bei dieser Verlagerung wächst nicht nur die Flächenpressung aufgrund der sich ständig verklei­ nernden Zahn-Kontaktflächen, sondern es wird auch das Über­ last-Drehmoment durch das Zusammenpressen der das Nenn-Dreh­ moment bestimmenden Federn merklich erhöht.

Diesem vergleichsweise kurzzeitigen, in der Praxis jedoch unbefriedigenden Betriebszustand wurde konstruktiv dadurch begegnet, daß die Bauelemente, deren Drehmomentbelastung zu begrenzen war, stärker dimensioniert wurden. Hiermit war aber eine Einschränkung des Einsatzspektrums der mit einer gattungsgemäßen Überlastkupplung ausgerüsteten Maschinen und Vorrichtungen verbunden.

Zum Stand der Technik zählt ferner die Überlastkupplung der DE-OS 24 33 995. Hier sind beide Kupplungshälften auf ent­ sprechend genuteten Wellenabschnitten axial verschieblich angeordnet. Die Wellenabschnitte liegen einander koaxial gegenüber. Im Überlastfall kann sich die eine Kupplungshälf­ te gegenüber der anderen Kupplungshälfte um eine Zahnteilung oder ein Vielfaches dieser Zahnteilung verdrehen. Demzufolge ist nicht sicherzustellen, daß unter Berücksichtigung des Zeitfaktors für die Weitergabe eines Störsignals eine mit einer solchen Überlastkupplung ausgerüstete Maschine im Störfall einwandfrei abgeschaltet werden kann. Das Nenn- Drehmoment kann überschritten und die zu schützenden Bau­ teile können zumindest beschädigt werden.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die im Oberbegriff des Patentanspruchs beschriebene Überlastkupplung dahinge­ hend zu vervollkommnen, daß im Überlastfall das Nenn-Dreh­ moment nicht überschritten wird und die hinsichtlich der Drehmomentbelastung zu schützenden Bauteile exakt auf das Drehmoment abgestimmt werden können.

Die Lösung dieses Problems besteht nach der Erfindung in den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs aufgeführten Merkmalen.

Tritt bei der erfindungsgemäßen axial kompakt gehaltenen Überlastkupplung die Überlastsituation auf, gleiten wie im bekannten Fall die Zähne der Stirnverzahnungen in Umfangs­ richtung und axial auseinander, wobei nur die mit der Nabe zwar drehfest, jedoch axial verschieblich verbundene Kupp­ lungshälfte gegen die Reaktion der Federkraft verschoben wird. Die gegenüber der Nabe relativverdrehbare Kupplungs­ hälfte führt jedoch keine Axialverlagerung aus. Die beiden Kupplungshälften vollziehen eine Relativverdrehung. Dabei ist durch die asymmetrische Verteilung der Zähne in Umfangs­ richtung sichergestellt, daß die Kupplungshälften erst genau nach einer 360°-Relativverdrehung über ihre Zähne wieder drehmomentübertragend gekoppelt werden. Auf diese Weise wird eine Festpunktschaltung mit einem punktgenauen Wiederein­ rasten der Kupplungshälften erzielt. Eine solche Festpunkt­ schaltung gewährleistet in einem Störfall, daß das Störsig­ nal den Störungszustand auch einwandfrei weiterleiten kann und die Maschine ordnungsgemäß abgestellt wird.

Die Zahnkonfiguration ist außerdem so gehalten, daß in jeder Betriebslage die axiale Belastung gleichmäßig über den Um­ fang verteilt ist und keine Kippmomente auftreten können.

Die plane Abflachung der Wellenberge ist mit dem weiteren Vorteil verbunden, daß im Überlastfall und nicht mehr in Eingriff befindlichen Zähnen die Wellenberge großflächig aufeinander gleiten. Die Flächenpressung kann in dieser Betriebssituation erheblich gesenkt werden. Ferner wird hierdurch erreicht, daß die während des Normalbetriebs mit­ einander in Berührung stehenden Zahnflankenbereiche defi­ niert spielfrei aufeinander abgestimmt werden können.

Mit der verschleißfesten Beschichtung der Stirnverzahnungen kann eine sehr große Wiederholgenauigkeit des Nenn-Dreh­ moments bei langer Lebensdauer und Wartungsfreiheit der Überlastkupplung gewährleistet werden.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnun­ gen veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Überlastkupplung in perspektivischer Darstellung;

Fig. 2 die Überlastkupplung der Fig. 1 in der Seiten­ ansicht, teilweise im vertikalen Längsschnitt;

Fig. 3 eine schematische Stirnansicht auf die Stirn­ verzahnung einer Kupplungshälfte;

Fig. 4 in vergrößerter Darstellung einen in Umfangs­ richtung geführten Schnitt durch die Stirnver­ zahnungen der Kupplungshälften der Überlast­ kupplung der Fig. 1 und 2 im überlastfreien Betriebszustand;

Fig. 5 in vergrößertem Detail verschiedene Relativ­ stellungen der Stirnverzahnungen beim Eintritt des Überlastfalls und

Fig. 6 die Darstellung der Fig. 4 nach dem Erreichen des Leerlaufmoments.

Mit 1 ist in den Fig. 1 und 2 eine Überlastkupplung be­ zeichnet, wie sie beispielsweise zwischen einem treibenden und einem angetriebenen Bauelement einer Bearbeitungsmaschi­ ne eingegliedert wird, um die Drehmomentbelastung des ange­ triebenen Bauelements, wie beispielsweise ein Kettenrad, ein Zahnrad usw., zu begrenzen. Das treibende und angetriebene Bauelement sind nicht näher veranschaulicht.

Die Überlastkupplung 1 weist eine Nabe 2 auf, die mit dem antreibenden Bauelement verbunden wird.

Umfangsseitig der Nabe 2 sind zwei Kupplungshälften 3, 4 angeordnet, die im äußeren Umfangsbereich formschlüssig ineinandergreifende identische Stirnverzahnungen 5, 6 be­ grenzter radialer Länge aufweisen (siehe auch Fig. 3).

Die Kupplungshälfte 3 ist mit der Nabe 2 über eine Führungs­ verzahnung 7 zwar drehfest, jedoch axial verschieblich ver­ bunden (Fig. 2). Die mit dem anzutreibenden Bauelement verbundene andere Kupplungshälfte 4 ist mittels Wälzlager 8 zur Nabe 2 distanziert und dadurch gegenüber der Nabe 2 relativverdrehbar, jedoch axial unverschiebbar.

Die axial verschiebliche Kupplungshälfte 3 ist durch mehrere über den Umfang gleichmäßig verteilt angeordnete Schrauben­ federn 9 in Richtung auf die drehbare Kupplungshälfte 4 vorgespannt. Die Reaktionskraft der Schraubenfedern 9 kann mit Hilfe einer Druckscheibe 10 variiert werden. Dazu dient eine auf der Nabe 2 angeordnete Einstellmutter 11. Folglich kann auch das über die Stirnverzahnungen 5, 6 übertragbare Nenn-Drehmoment in gewissen Grenzen eingestellt werden.

Die Stirnverzahnungen 5, 6 weisen eine sinusförmige kanten­ freie Kontur auf (Fig. 4 bis 6). Der kleinste Flankenkon­ taktwinkel a im Übergangsbereich von einem Wellenberg 12 auf ein Wellental 13 erstreckt sich unter etwa 45° zu der quer zur Nabenachse 14 verlaufenden radialen Trennebene TE der Kupplungshälften 3, 4. Die Wellenberge 12 sind plan abge­ flacht. Die Übergangsbereiche von den Wellenbergen 12 auf die Wellenflanken 15 sind gerundet. Außerdem sind die Stirn­ verzahnungen 5, 6 verschleißfest beschichtet.

Wie die Fig. 3 genauer zu erkennen gibt, sind die Zähne 16 der Stirnverzahnung 5 - und dementsprechend auch die Zähne 17 der Stirnverzahnung 6 - in Umfangsrichtung der Kupplungshälfte 3 so asymmetrisch angeordnet, daß im Stör­ fall und bei einer hierdurch hervorgerufenen Relativverdre­ hung zu der Kupplungshälfte 4 die Zähne 16 und 17 erst genau nach einer 360°-Verdrehung wieder ineinandergleiten.

Diese Konfiguration ist in der Fig. 3 rein schematisch dadurch veranschaulicht, daß z. B. der keine Zähne 16 auf­ weisende Bereich X der Kupplungshälfte 3 der Fig. 1 in der Fig. 3 schraffiert und der daran anschließende Bereich X 1 mit fünf Zähnen 16 unschraffiert gezeichnet ist. Folge­ richtig schließen sich dann in Umfangsrichtung wieder Berei­ che X-X 2 mit unterschiedlichen Zähnezahlen an.

Das Nenn-Drehmoment wird von der Nabe 2 über die Führungs­ verzahnung 7 auf die axial verlagerbare Kupplungshälfte 3 und über die Stirnverzahnungen 5, 6 auf die drehbare Kupp­ lungshälfte 4 übertragen.

Tritt nun ein Überlastfall auf (siehe Fig. 4 bis 6), gleiten die Zähne 16, 17 der Stirnverzahnungen 5, 6 ausein­ ander, wobei sie sich sowohl in Umfangsrichtung als auch axial relativ zueinander bewegen. Hierbei wird die drehfest auf der Nabe 2 angeordnete Kupplungshälfte 3 gegen die Kraft der Schraubenfedern 9 in Richtung auf die Druckscheibe 10 verschoben, wodurch die Reaktionskraft der Schraubenfedern 9 ansteigt (siehe auch Fig. 2).

Während des Auseinandergleitens der Zähne 16, 17 (Fig. 5 und 6) wird der Flankenkontaktwinkel α, α 1, a 2, α 3 pro­ gressiv größer. Dies hat in vorteilhafter Weise zur Folge, daß trotz des Anstiegs der Reaktionskraft der Schraubenfe­ dern 9 das Drehmoment der Überlastkupplung 1 während des Überlastens nicht ansteigt, sondern sogar kontinuierlich bis zu einem gewissen Leerlaufmoment abfällt, wenn die abge­ flachten Wellenberge 12 gemäß Fig. 6 aufeinander gleiten.

Die anhand der Fig. 1 und 3 sowie der Bereiche X-X 2 er­ läuterte Festpunktschaltung vermeidet ein Überratschen von Zahn 16 zu Zahn 17. Vielmehr wird ein punktgenaues Wieder­ einschalten nach Beseitigung eines Störfalls erreicht. Dabei werden die beiden Kupplungshälften 3, 4 zueinander verdreht, bis nach 360° der Festpunkt wieder gefunden ist. Anschließend gleiten die Zähne 16, 17 der Stirnverzahnungen 5, 6 inein­ ander. Die axial verschiebliche Kupplungshälfte 3 bewegt sich in Richtung auf die drehbare Kupplungshälfte 4. Hierbei können sich die Schraubenfedern 9 etwas entspannen und der Flankenkontaktwinkel α der Stirnverzahnungen 5, 6 reduziert sich. Es stellt sich dann die Relation Flankenkontaktwinkel- Schraubenfederkraft vor der Überlastung ein. Die Nenn-Dreh­ momentverbindung der beiden Kupplungshälften 3, 4 ist herge­ stellt.

Claims (1)

1. Überlastkupplung mit einer Nabe (2) und einer mit der Nabe (2) zwar drehfest, jedoch axial verschieblich verbundenen Kupplungshälfte (3), die durch variierbare Federkraft (9) in Richtung auf eine gegenüber der Nabe (2) relativverdrehbare Kupplungshälfte (4) belastet ist, wobei die Kupplungshälften (3, 4) mit formschlüssig ineinandergreifenden Stirnverzah­ nungen (5, 6) begrenzter radialer Länge versehen sind, die eine sinusförmige Kontur aufweisen, und wobei der kleinste Flankenkontaktwinkel (α) im Übergangsbereich von einem Wel­ lenberg (12) auf ein Wellental (13) sich unter etwa 45° zu der quer zur Nabenachse (14) verlaufenden radialen Trenn­ ebene (TE) erstreckt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

   • - beide Kupplungshälften (3, 4) sind umfangsseitig der Nabe (2) vorgesehen;
   • - die gegenüber der Nabe (2) relativverdrehbare Kupplungs­ hälfte (4) ist axial unverschiebbar angeordnet;
   • - die Zähne (16, 17) der Stirnverzahnungen (5, 6) sind in Umfangsrichtung asymmetrisch verteilt angeordnet;
   • - die Wellenberge (12) sind plan abgeflacht;
   • - die Stirnverzahnungen (5, 6) sind verschleißfest be­ schichtet.