DE4017938A1 - Drehstarre kupplung zur uebertragung hoher drehgeschwindigkeiten und/oder torsionskraefte - Google Patents

Description

Die drehstarre Kupplung wird zur Übertragung hoher Drehgeschwin­ digkeiten und/oder Torsionskräfte bei der Verbindung von Maschi­ nenelementen, insbesondere Wellen, die axial fluchtend oder nichtfluchtend angeordnet sein können, angewendet.

Kupplungen zur Übertragung hoher Drehgeschwindigkeiten und/oder Torsionskräfte sind bekannt. In dem Artikel "Querbewegliche Kupplungen - Strukturelle und kinematische Systematisierung" (An­ triebstechnik 10 (1971) Nr. 11, S. 409-419) werden eine Vielzahl verschiedener Kupplungen beschrieben. Die Alsthom-Kupplung ist in der Lage, hohe Geschwindigkeiten und hohe Torsionskräfte zu übertragen, wenn die zu verbindenden Maschinenelemente fluchten. Ist dies jedoch nicht der Fall, kommt es zu Winkelschwankungen und Schwingungen im System. Die Kaerger-Kupplung und die Krawtschenko-Kupplung vermeiden zwar einige Nachteile der Alsthom-Kupplung, weisen jedoch andere Unzulänglichkeiten auf. So wird beispielsweise die relative seitliche Bewegung zwischen benachbarten Eementen bei nichtfluchtender Betriebsweise auf die Translationsbewegung durch die Anordnung der Verbindungsglieder der Kupplung zwischen den Drehelementen parallel zueinander be­ grenzt, wodurch infolge der Änderung der Verbindungsglieder auch die Symmetrie geändert wird, so daß derartige Kupplungen bei fluchtender Betriebsweise nicht symmetrisch bezüglich der Dreh­ achse sind, was unter gewissen Umständen zu einem Schwingungs­ ungleichgewicht bzw. zur Unwucht führt, die mit wachsender Ab­ weichung von der fluchtenden Stellung größer wird. Die Oldham- Kupplungen haben den Nachteil, daß im Falle großer Achsenabwei­ chungen die Gleitgeschwindigkeiten und somit die Reibungsverluste groß sind. Bei großen Winkelgeschwindigkeiten muß die wirkende Trägheitskraft ausgewuchtet werden. Dies ist jedoch nicht ein­ fach mit Hilfe von Gegengewichten möglich, weshalb diese Kupp­ lungen nicht zugleich bei großer Drehzahl und bei großen Achsenabweichungen eingesetzt werden. Hinzu kommt, daß die Standzeit derartiger Kupplungen infolge eines hohen Verschleißes relativ gering ist. Außerdem entstehend durch die bei der Herstellung der Kupplungen notwendigen Präzisionsarbeit hohe Fertigungskosten.

In DE-OS 23 55 108 wird eine Kupplung beschrieben, die sowohl bei fluchtender als auch bei nichtfluchtender Anordnung der zu kup­ pelnden Wellen mit hoher Geschwindigkeit arbeitet und große Tor­ sionskräfte übertragen soll. Durch das Auftreten vertikaler Kräfte jedoch werden die Wellen auf Biegung bzw. die Lager in vertikaler Richtung stark belastet.

Es ist das Ziel der Erfindung, eine drehstarre Kupplung vorzu­ schlagen, welche im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen sowohl eines niedrigen Fertigungsaufwandes für ihre Herstellung bedarf als auch eine höhere Standzeit besitzt, ohne Einbußen besonders hinsichtlich ihrer Leistungsparameter Arbeitsgeschwindigkeit und Höhe der Torsionskraftübertragung hinnehmen zu müssen.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine Kupplung mit großer Robustheit zu entwickeln, die bei kurzer Einbaulänge eine spiel­ freie und weitgehend schwingungsfreie Übertragung der Torsions­ kräfte auf die fluchtend oder mit relativ großem Winkel nicht­ fluchtend zueinander angeordneten Maschinenelemente gewährlei­ stet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß an der Stirnseite eines angetriebenen Maschinenelements ein im wesentli­ chen ebene Flächen aufweisendes Drehelement und an der Stirn­ seite eines abgetriebenen Maschinenelements ebenfalls ein im we­ sentlichen ebene Flächen aufweisendes Drehelement torsionssicher befestigt sind. Die Drehelemente nehmen bei den sich in fluchten­ der Lage zueinander befindlichen Maschinenelementen eine paralle­ le Stellung zueinander ein. Auf beiden im wesentlichen ebene Flächen aufweisenden Drehelementen sind auf der dem angetriebe­ nen bzw. abgetriebenen Maschinenelement abgewandten Seite Hal­ teelemente in axialer Richtung befestigt. Auf jedem dieser Halte­ elemente sitzt ein Lagerelement fest auf. Je ein Lagerelement auf den Halteelementen des im wesentlichen ebene Flächen aufweisen­ den Drehelements des angetriebenen Maschinenelements ist mittels eines Verbindungselements mit je einem Lagerelement auf den Hal­ teelementen des im wesentlichen ebene Flächen aufweisenden Drehelements des abgetriebenen Maschinenelements fest verbunden. Die Anzahl der notwendigen Verbindungen zwischen den beiden im we­ sentlichen ebenen Flächen aufweisenden Drehelemente hängt ab von dem auszugleichenden Winkel Alpha zwischen den in nichtfluchten­ der Lage zueinander befindlichen Maschinenelementen. Dieser Win­ kel Alpha wird um so kleiner, je größer die Anzahl der Verbin­ dungselemente ist. Bei zueinander ausschließlich in fluchtender Lage befindlichen Maschinenelementen wird die Anzahl der Verbin­ dungselemente lediglich durch die Größe des Umfangs der im wesentlichen ebene Flächen aufweisenden Drehelemente begrenzt.

Je näher die Halteelemente am Rand der im wesentlichen ebene Flächen aufweisenden Drehelemente befestigt sind, desto größer sind die von der Kupplung übertragbaren Kräfte, aber um so kleiner wird der ausgleichbare Winkel Alpha.

Der Abstand der Drehelemente voneinander ist so festgelegt, daß die Lagerelemente in fluchtender Lage vertikal mittig übereinan­ der stehen und die Höhe der Halteelemente so bemessen ist, daß die Lagerelemente bei größtmöglich ausgleichbarem Winkel Alpha zwischen den Maschinenelementen in nichtfluchtender Lage die Drehelemente nicht berühren.

Die angetriebenen bzw. abgetriebenen Maschinenelemente werden in den meisten Fällen durch Wellen gebildet. Der Einsatz von beispielsweise Achsen und dergleichen ist jedoch auch möglich.

Als im wesentlichen ebene Flächen aufweisende Drehelemente wer­ den in der Regel Scheiben eingesetzt, wobei aber auch die Verwen­ dung von Zahnrädern und dergleichen möglich ist.

Unter Halteelementen sollen beispielsweise Bolzen, Zapfen, Paß­ schrauben, Kolbenstangenköpfe (Gelenkköpfe) und dergleichen verstanden werden.

Als Verbindungselemente werden beispielsweise spezielle Klemmelemente, feste Verbindungselemente und dergleichen einge­ setzt.

Als Lagerelemente kommen insbesondere Pendelkugellager, Pendelrollenlager oder Kolbenstangenköpfe (Gelenkköpfe) zum Einsatz.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Kupplung gegenüber her­ kömmlichen Lösungen kommen besonders dann zum Tragen, wenn das angetriebene und das abgetriebene Maschinenelement in nicht­ fluchtender Lage zueinander arbeiten. Dabei wird eine der beiden im wesentlichen ebene Flächen aufweisenden Drehelemente bei­ spielsweise am unteren Scheitelpunkt über die Senkrechte nach links und um den gleichen Betrag am oberen Scheitelpunkt nach rechts geneigt. Dadurch wird immer ein gleicher Abstand der Lagerelemente des einen vom anderen Drehelement gewährleistet. Die Lagerelemente werden nicht auf Torsion beansprucht, sondern dienen nur zum Ausgleich des Winkels des angetriebenen zum abge­ triebenen Maschinenelements, d. h. die Lager pendeln nur entspre­ chend des Winkels. Dadurch erhöht sich die Standzeit der Lager wesentlich.

Die drehstarre Kupplung ist zwar für hohe Drehgeschwindigkeiten und/oder Torsionskräfte besonders geeignet, kann aber natürlich auch für niedrige Drehgeschwindigkeiten und/oder Torsionskräfte eingesetzt werden.

Der Aufbau und die Funktionsweise der drehstarren Kupplung sollen nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Teilschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 2, 3 und 4 durch die Kupplung mit einem Bolzen als Halte­ element und einem Pendelkugellager als Lagerelement,

Fig. 2 einen Teilschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1 durch die Kupplung mit drei Verbindungselementen,

Fig. 3 einen Teilschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1 durch die Kupplung mit zwei Verbindungselementen,

Fig. 4 einen Teilschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1 durch die Kupplung mit 12 Verbindungselementen,

Fig. 5 einen Teilschnitt entlang der Linie B-B der Fig. 2, 3 und 4 durch die Kupplung mit einem Kolbenstangenkopf (Gelenkkopf) als Halte- und Lagerelement.

An der Stirnseite eines angetriebenen Maschinenelements 1 ist ein im wesentlichen ebene Flächen aufweisendes Drehelement 3 und an der Stirnseite eines abgetriebenen Maschinenelements 2 ebenfalls ein im wesentlichen ebene Flächen aufweisendes Dreh­ element 4 torsionssicher befestigt. Die Maschinenelemente 1 und 2 werden in den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 5 in Form einer Welle gebildet, während das Drehelement 3 bzw. 4 beispielhaft als Scheibe dargestellt ist. Die Drehelemente 3 und 4 nehmen bei den sich in fluchtender Lage zueinander befindli­ chen Maschinenelementen 1 und 2 eine parallele Stellung zuein­ ander ein. Auf den im wesentlichen ebene Flächen aufweisenden Drehelementen 3 bzw. 4 sind auf der dem angetriebenen1 bzw. abgetriebenen Maschinenelement 2 abgewandten Seite Halteele­ mente 5 bzw. 6 in axialer Richtung befestigt. Als Halteelemen­ te 5 bzw. 6 sind in den Beispieln gemäß der Fig. 1 bis 4 Bolzen bzw. Zapfen und im Beispiel gemäß der Fig. 5 Kolbenstangenköpfe (Gelenkköpfe) dargestellt. Im Ausführungs­ beispiel nach Fig. 2 sind je drei Halteelemente 5 bzw. 6 auf den Drehelementen 3 bzw. 4 in einem Winkel von 120° zueinander angebracht, womit ein Winkel Alpha von 5° ausgleichbar ist. Die Ausführungsform mit je zwei Halteelementen 5 bzw. 6 gemäß Fig. 3 ist in der Lage, einen Winkel Alpha von 6° auszugleichen, während mit der Ausführungsform gemäß Fig. 4 zwar höhere Torsionskräfte aber nur ein Winkel von 0,5° ausgleichbar sind. Auf jedem der Halteelemente 5 bzw. 6 sitzt ein Lagerelement 8 bzw. 9 fest auf. In Fig. 1 ist dieses Lagerelement 8 bzw. 9 ein Pendelkugellager, während es in der Ausführungsform nach Fig. 5 ein Kolbenstangenkopf (Gelenkkopf) ist. Je ein Lagerelement 8 auf den Halteelementen 5 des im wesentlichen ebene Flächen aufweisenden Drehelements 3 des angetriebenen Maschinenelements 1 ist mittels eines Verbindungselements 7 mit je einem Lager­ element 9 auf den Halteelementen 6 des im wesentlichen ebene Flächen aufweisenden Drehelements 4 des abgetriebenen Maschi­ nenelements 2 fest verbunden. Als Verbindungselement 7 wurde im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ein spezielles Klemmelement eingesetzt, in den Ausführungsbeispielen gemäß der Fig. 3 und 4 kamen feste Verbindungselemente zum Einsatz. Der Abstand der Drehelemente 3 und 4 voneinander ist so festgelegt, daß die Lagerelemente 8 und 9 in fluchtender Lage vertikal mittig übereinander stehen und die Höhe der Halteelemente 5 bzw. 6 so bemessen ist, daß die Lagerelemente 8 bzw. 9 bei größtmöglich ausgleichbarem Winkel Alpha zwischen den Maschinenelementen 1 und 2 in nichtfluchtender Lage die Drehelemente 3 bzw. 4 nicht berühren.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 angetriebenes Maschinenelement
2 abgetriebenes Maschinenelement
3 Drehelement des angetriebenen Maschinenelements
4 Drehelement des abgetriebenen Maschinenelements
5 Halteelement auf dem Drehelement des angetriebenen Maschinen­ elements
6 Halteelement auf dem Drehelement des abgetriebenen Maschinen­ elements
7 Verbindungselement
8 Lagerelement
9 Lagerelement

Claims (6)

1. Drehstarre Kupplung zur Übertragung hoher Drehgeschwindigkei­ ten und/oder Torsionskräfte, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stirnseite eines angetriebenen Maschinenelements (1) ein im wesentlichen ebene Flächen aufweisendes Drehelement (3) und an der Stirnseite eines abgetriebenen Maschinenelements (2) ebenfalls ein im wesentlichen ebene Flächen aufweisendes Drehelement (4) befestigt sind, die Drehelemente (3 bzw. 4) bei den sich in fluchtender Lage zueinander befindlichen Maschinenelementen (1 bzw. 2) mit ihren ebenen Flächen eine parallele Stellung zueinander einnehmen, auf beiden im wesent­ lichen ebene Flächen aufweisenden Drehelementen (3 bzw. 4) Halteelemente (5 bzw. 6) in axialer Richtung auf der dem angetriebenen (1) bzw. abgetriebenen Maschinenelement (2) abgewandten Seite befestigt sind, auf denen jeweils ein Lager­ element (8 bzw. 9) fest aufsitzt, daß je ein Lagerelement (8) auf den Halteelementen (5) des angetriebenen Maschinenelements (1) mittels eines Verbindungselements (7) mit je einem Lager­ element (9) auf den Halteelementen (6) des abgetriebenen Ma­ schinenelements (2) fest verbunden sind und daß der Abstand der Drehelemente (3 bzw. 4) voneinander so festgelegt ist, daß die Lagerelemente (8 und 9) in fluchtender Lage zueinander vertikal mittig übereinander stehen und die Höhe der Halteelemente (5 bzw. 6) so bemessen ist, daß die Lagerelemente (8 und 9) bei größtmöglich ausgleichbarem Winkel Alpha zwischen den Maschinenelementen (1 und 2) in nichtfluchtender Lage die Drehelemente (3 bzw. 4) nicht berühren.

2. Drehstarre Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als angetriebene (1) bzw. abgetriebene Maschinenelemente (2) beispielsweise Wellen, Achsen usw. zum Einsatz kommen.

3. Drehstarre Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im wesentlichen ebene Flächen aufweisende Drehelemente (3 bzw. 4) beispielsweise Scheiben, Zahnräder und dergleichen darstellen.

4. Drehstarre Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unter Halteelementen (5 bzw. 6) zum Beispiel Bolzen, Zapfen, Paßschrauben, Kolbenstangenköpfe (Gelenkköpfe) und dergleichen zu verstehen sind.

5. Drehstarre Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungselemente (7) beispielsweise spezielle Klemmelemente, feste Verbindungselemente und dergleichen dar­ stellen.

6. Drehstarre Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lagerelemente (8 bzw. 9) insbesondere Pendelkugellager, Pendelrollenlager oder Kolbenstangenköpfe (Gelenkköpfe) eingesetzt werden.