DE4007483C2 - Überlastkupplung - Google Patents

Description

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

Derartige Überlastkupplungen vermeiden Schäden an Maschi­ nen. Ihre Integration reduziert Betriebsstörungen mit schwerwiegenden Folgen, Reparaturen sowie Stillstandszei­ ten.

Bei der Überlastkupplung der DE-OS 24 33 995 sind beide Kupplungshälften auf entsprechend genuteten Wellenab­ schnitten axial verschieblich angeordnet. Die Wellenab­ schnitte liegen einander koaxial gegenüber. Im Überlast­ fall kann sich die eine Kupplungshälfte gegenüber der an­ deren Kupplungshälfte um ein Zahnteilung oder ein Vielfa­ ches dieser Zahnteilung verdrehen. Demzufolge ist nicht sicherzustellen, daß unter Berücksichtigung des Zeitfak­ tors für die Weitergabe eines Störsignals eine mit einer solchen Überlastkupplung ausgerüstete Maschine im Stör­ fall einwandfrei abgeschaltet werden kann. Das Nenn-Dreh­ moment kann überschritten und die zu schützenden Bauteile können zumindest beschädigt werden.

Im Falle der Überlastkupplung des DE-GM′s 18 27 231 ist eine Kupplungshälfte axial unverschieblich, jedoch rela­ tiv verdrehbar auf einer Nabe gelagert. Die Nabe selber ist auf einem Vielnutabschnitt der Antriebswelle axial unverschieblich und drehfest angeordnet. Die andere Kupp­ lungshälfte ist unmittelbar auf dem Vielnutabschnitt axial verschieblich, jedoch nicht relativ verdrehbar an­ geordnet. Bei den Verzahnungen der Kupplungshälften han­ delt es sich um bogenförmige Verzahnungen mit geraden Flanken.

Die DE-PS 9 16 015 zeigt eine Klauenkupplung mit einzel­ nen Klauen. Bei diesen Klauen sind lediglich die Flanken sinusförmig gekrümmt.

Auf Seite 21 der Zeitschrift "Maschinenmarkt" Nr. 58 (1955) wird unter der Überschrift "Herstellen der Hirth- Stirnverzahnung" von einer vergüteten Verzahnung gespro­ chen. Eine solche Verzahnung kann aber mit einer ver­ schleißfesten Beschichtung nicht gleichgesetzt werden, da voneinander grundsätzlich abweichende Bearbeitungsmaßnah­ men an den Verzahnungen durchgeführt werden.

Verschleißfeste Beschichtungen von Zahn-Oberflächen sind aber durch die US-PS 28 36 514 bekannt.

Die DE 38 27 672 C1 offenbart im Prinzip keine asymmetri­ sche Anordnung von Zähnen. Es sind lediglich an einer einzigen Markierungsstelle ein verbreiterter Zahn und eine verbreiterte Zahnlücke vorhanden. Um die mit dieser Ausbildung verbundene Kipptendenz zu mindern, wird auf der der Markierungsstelle diametral gegenüberliegenden Seite ein Zapfen vorgesehen, der bei einem Nichteingriff der Zähne zusammen mit dem verbreiterten Zahn an der Mar­ kierungsstelle die Abstützung der beiden Kupplungshälften gewährleisten soll. Da sich jedoch die verbreiterte Zahnausbildung und der Zapfen genau um 180° versetzt ein­ ander gegenüber liegen, ist ein Kippen um eine durch die Markierungsstelle und die Achse des Zapfens verlaufende Ebene immer möglich.

Die Bauart der DE 27 44 908 C2 stellt keine Überlastkupp­ lung dar, welche während ihres betrieblichen Einsatzes mehrfach hintereinander einem Überlastfall standhalten könnte, ohne daß nach dem Überlastfall ein manueller Ein­ griff bei stillgesetzter Kupplung verbunden mit dem Aus­ tausch von Bauteilen bzw. der Veränderung der Lage von Bauteilen zwecks Herstellung der Bereitschaftsposition notwendig wäre.

Bei dieser Kupplung ist ein Mitnehmerring mittels einer Nut-Feder-Verbindung mit der Nabe verbunden. Eine Nut- Feder-Verbindung ist keine Führungsverzahnung. Sie ermög­ licht auch keine definierte Übertragung eines Drehmoments in allen betrieblichen Situationen. Die sogenannte Dreh­ momentkonstanz ist mit einer Nut-Feder-Verbindung grund­ sätzlich nicht beherrschbar. Der Verschleiß bei einer Nut-Feder-Verbindung ist vielmehr derart extrem hoch, insbesondere bei einer häufig schaltenden Kupplung, daß bei wiederholt auftretendem Überlastfall dieselbe Drehmo­ mentkonstanz nicht gewährleistet werden kann.

Bei einer Verlagerung des Mitnehmerrings, und zwar beim Überschreiten des zulässigen Drehmoments, rastet ein Schnappring in eine Nut, so daß dann der Mitnehmerring nicht mehr unter dem Einfluß der Tellerfedern steht. Es ist dann erforderlich, mit einem besonderen Werkzeug ver­ bunden mit einem Stillsetzen der mit dieser Überlastkupp­ lung versehenen Maschine den Schnappring aus der Nut her­ auszuheben und umfangsseitig der Nabe zwischen der Tel­ lerfeder und dem Mitnehmerring axial verlagerbar zu pla­ zieren, um die Bereitschaftsposition wieder herzustellen. Dies ist mit einem hohen zeitlichen Aufwand und zwangs­ läufiger Stillsetzung der Gesamteinrichtung verbunden.

Auch muß zwischen die relativ verdrehbaren Teile eine Zwischenlage aus niedrig schmelzendem Kunststoff einge­ legt werden, um ein Ratschen der sich gegeneinander ver­ drehenden Kupplungselemente zu vermeiden. Durch die beim Durchratschen entstehende Reibungswärme schmilzt der Kunststoffring an den Zahnspitzen ab. Hiermit ist der Sachverhalt verbunden, daß zur Wiederinbetriebnahme der Überlastkupplung ein Kunststoffring neu eingebaut werden muß. Ferner bewirkt ein schmelzender Kunststoff eindeutig ein Verkleben der Räume, in die der Kunststoff zwangsläu­ fig hineinfließt.

Die DE-PS 11 40 033 offenbart eine einfache ein- und aus­ rückbare Wellenkupplung. Bei ihr soll die ausschließlich kraftübertragende, radial außenliegende Stirnverzahnung exakt dann gekuppelt werden, wenn Zahnlücke auf Zahn steht. Zu diesem Zweck sind am radial inneren Umfang an­ geordnete zusätzliche Klauenkränze vorgesehen. Diese zu­ sätzlichen Klauenkränze sollen aufgrund ihrer Ausbildung sicherstellen, daß im Kupplungsfall die Stirnverzahnungen nur dann ineinandergreifen, wenn ein Zahn genau vor einer Zahnlücke steht.

Mit der zusätzlichen Anordnung der inneren Klauenkränze ist nicht nur ein hoher Herstellungsaufwand verbunden, sondern es bedarf auch einer äußerst aufwendigen weil präzisen Fertigung, um die gesondert hergestellten Klau­ enkränze so einerseits einem Magnetkörper und anderer­ seits einer Ankerscheibe zuzuordnen, daß die Kupplungs­ stellungen der Klauenkränze auch mit den Zahn-Lücke-Stel­ lungen der allein die Kraft übertragenden Stirnverzahnung übereinstimmen.

Aus der US-PS 24 29 284 geht die plane Abflachung der Wellenberge einer Kupplung mit Stirnverzahnung hervor. Bei dieser Bauart wird die Abflachung der Wellenberge be­ wußt deshalb vorgenommen, damit ein einwandfreies Trag­ bild der beiden miteinander kuppelbaren Bauteile über die Zahnflanken erfolgt. Es ist jedoch nicht beabsichtigt, diese Bauteile im Sinne einer Überlastkupplung voneinan­ der zu trennen und wieder formschlüssig miteinander zu verklinken.

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 grobe 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 α 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 X1 mit fünf Zähnen 16 unschraffiert gezeichnet ist. Folge­ richtig schliefen sich dann in Umfangsrichtung wieder Berei­ che X-X2 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, α1, α2, α3 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-X2 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 ver­ bundenen Kupplungshälfte (3), die durch variierbare Fe­ derkraft (9) in Richtung auf eine gegenüber der Nabe (2) relativverdrehbare Kupplungshälfte (4) belastet ist, wo­ bei die Kupplungshälften (3, 4) mit formschlüssig inein­ andergreifenden Stirnverzahnungen (5, 6) begrenzter radi­ aler Länge versehen sind, die eine sinusförmige Kontur aufweisen, und wobei der kleinste Flankenkontaktwinkel (α) im Übergangsbereich von einem Wellenberg (12) auf ein Wellental (13) sich unter etwa 45° zu der quer zur Na­ benachse (14) verlaufenden radialen Trennebene (TE) er­ streckt, gekennzeichnet durch fol­ gende Merkmale:

   • a) beide Kupplungshälften (3, 4) sind umfangsseitig der Nabe (2) vorgesehen;
   • b) die gegenüber der Nabe (2) relativverdrehbare Kupp­ lungshälfte (4) ist axial unverschiebbar angeordnet;
   • c) die axial verschiebliche Kupplungshälfte (3) ist über eine Führungsverzahnung (7) mit der Nabe (2) verbun­ den;
   • d) die Zähne (16, 17) der Stirnverzahnungen (5, 6) sind in Umfangsrichtung asymmetrisch verteilt angeordnet;
   • e) die Wellenberge (12) sind plan abgeflacht;
   • f) die Stirnverzahnungen (5, 6) sind verschleißfest be­ schichtet.