DE4019747C1

DE4019747C1 -

Info

Publication number: DE4019747C1
Application number: DE4019747A
Authority: DE
Inventors: Ernst Elsner; Karl 7922 Herbrechtingen De Junginger
Original assignee: JM Voith GmbH
Current assignee: JM Voith GmbH
Priority date: 1990-06-21
Filing date: 1990-06-21
Publication date: 1991-09-19
Anticipated expiration: 2010-06-22
Also published as: GB2245340B; GB9112865D0; GB2245340A; JPH0783241A; FR2663698A1; FR2663698B1; SE9101609L; SE9101609D0; SE502521C2; US5149220A

Description

Die Erfindung betrifft eine reibschlüssige Kupplung zur drehfesten und lösbaren Verbindung zweier koaxialer Bauteile, z. B. einer Nabe mit einer Welle gemäß den im Oberbegriff des Anspruches 1 beschriebenen Merkmalen.

Eine Kupplung dieser Gattung ist aus der EP-PS 01 78 300 (US-PS 46 16 948) bekannt. Die bekannte Kupplung weist ein Außenteil und ein Innenteil auf, die einen in axialer Richtung kegeligen und druckdichten Ringraum in sich einschließen. In diesem Ringraum ist ein gleichartig kegeliger Ringkolben axial verschiebbar angeordnet. Die Verschiebung kommt durch Einspeisung eines Druckmittels auf jeweils eine der beiden Stirnseiten des Ringkolbens zustande, wodurch eine radiale Spannkraft z. B. auf die Welle zur reibschlüssigen Übertragung eines Drehmomentes ausgeübt wird. Das Außenteil der bekannten Kupplung kann entweder zum Einsetzen in die Nabe eines anderen Bauteiles oder als selbständiges Bauelement mit stirnseitiger Befestigung, z. B. an einer Gelenkwelle, ausgebildet sein. Die Passung zwischen den am Reibschluß beteiligten Oberflächen muß daher genau festgelegt sein. Dabei ist die volle Drehmoment-Übertragungsfähigkeit zwischen den am Reibschluß beteiligten Flächen, insbesondere an der Wellenoberfläche, nur möglich, wenn der Ringkolben während seines axialen Hubes im Zusammenwirken mit der konischen Wandung eine ausreichende Radialspannung erzeugen kann.

Der Hub des Ringkolbens bzw. dessen Lage innerhalb des Ring raumes ist indessen von außen nicht erkennbar. Es wäre zwar denkbar, z. B. den Beaufschlagungsdruck in den Ringraum so zu dosieren, daß nur ein vorausberechneter Teilhub des Ring kolbens und damit eine entsprechende Radialspannung zustande kommt. Dies ist aber im Hinblick auf die nicht genau erfaßbaren Reibungsverhältnisse innerhalb der reib schlüssigen Kupplung, insbesondere zwischen dem Ringkolben und der konischen Wand, und angesichts der Herstellungs toleranzen, zu ungenau und daher unzuverlässig im Hinblick auf die Festlegung des übertragbaren Drehmomentes der reib schlüssigen Kupplung.

Daher wird die reibschlüssige Kupplung so ausgelegt, daß die höchste Radialspannung und damit das höchste übertragbare Drehmoment dann erreicht ist, wenn der Ringkolben seinen vollen Hub innerhalb des Ringraumes vollzogen hat, wobei stets der maximale Betätigungsdruck für die Verschiebung des Ringkolbens in die eine Druckkammer eingespeist wird.

Es wäre theoretisch auch möglich, durch Messung der einge speisten Druckmittelmenge die Bewegung bzw. Lage des Kolbens innerhalb der Ringkammer zu ermitteln. Aber aufgrund von Leckagen an den Verschraubungen, den Anzeigetoleranzen der Meßeinrichtung für das Druckmittel und die den Meßwert ver fälschenden elastischen Verformungen der beteiligten Bau teile unter Hochdruck ist auch dieses Meßverfahren nicht zuverlässig.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine reibschlüssige Kupplung der eingangs beschriebenen Art derart auszubilden, daß es auf einfache und sichere Weise möglich ist, die erreichte Endlage des Ringkolbens im Innenraum festzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Danach ist im Außenteil der Kupplung ein beweglich geführter Positionsmelder so angebracht, daß er über eine mittelbare Verbindung zu dem innenliegenden Ringkolben seine Lage so verändern kann, daß er bei erreichter Endlage des Ringkolbens ebenfalls seine Endlage erreicht. Diese End lage des Positionsmelder ist von einem außerhalb des Außenteiles angeordneten Sensor erkennbar. Zwischen dem Hub des Ring kolbens und dem Weg des Positionsmelders ist wenigstens im Endbe reich des Kolbenhubes eine Koppelung geschaffen, die einer Positionsangabe für die Lage des Ringkolbens im Ringraum entspricht, die zur Überprüfung bei der Montage erfaßt werden kann. Dies macht eine unter Umständen schwierige, aufgrund beengter baulicher Platzverhältnisse oft auch unmögliche mechanische Messung, z. B. mittels einer Sonde in den Innenraum bzw. in eine der Druckkammern entbehrlich.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben. Gemäß Anspruch 2 kann jeder Druckkammer an den Stirnseiten des Ringkolbens eine einen Positionsmelder und einen Sensor umfassende Meßanordnung zugeordnet werden. Gemäß den Ansprüchen 3 und 4 kann die Koppelung zwischen dem Ringkolben und dem Positionsmelder mittels einer Kolben-Zylinder- Anordnung erfolgen, nämlich einem dem Ringkolben zuge wandten Geberzylinder mit entsprechendem Geberkolben, der über einen mit inkompressiblem Medium gefüllten Kanal mit einem Nehmerzylinder mit einem Nehmerkolben in Verbindung steht. Der Positionsmelder ist dabei mit dem Kolben des Nehmer zylinders integriert, während der Geberkolben direkt vom Ringkolben aus beaufschlagt wird. Zwischen dem Positionsmelder und dem Ringkolben ist somit eine starre Verbindung in der Art eines hydraulischen Gestänges geschaffen. Gemäß den Ansprüchen 5 bis 7 soll der Positionsmelder aus sensorisch erfaß barem Material bestehen, wozu sich insbesondere magnetisches Material eignet. Der Nehmerzylinder ist am Außenteil mit radialer Achsrichtung angeordnet, wobei der Positionsmelder im radial äußersten Bereich des Nehmerkolbens angeordnet ist und bis zu seiner äußersten Endlage in den Bereich des Außenumfanges des Außenteiles ausgefahren werden kann. Im Umfangsbereich des Außenteiles ist ortsfest, also nicht mitrotierend, der Sensor angeordnet, der berührungsfrei auf die radiale Lage des Positionsmelders innerhalb des Nehmerzylinders reagiert, wobei der Sensor als Näherungsschalter ausgebildet sein kann. Gemäß Anspruch 8 ist im Außenteil der Kupplung im Bereich des Positionsmelders bzw. Nehmerzylinders eine sensorisch neutrale Zone vorgesehen damit der Sensor zuverlässig nur die Lage des Positionsmelders anzeigt. Diese sensorisch neutrale Zone kann als Befestigungsplatte aus unmagnetischem Material für den Nehmerkolben mit Positionsmelders ausgebildet sein. Während die Wirkrichtung des Nehmerzylinders nicht unbedingt radial, sondern z. B. auch axial angeordnet sein kann, ist gemäß den Ansprüchen 9 und 10 der Geberzylinder im Bereich der Druck kammern vorzugsweise mit axialer Wirkrichtung vorgesehen. Dadurch kann der axiale Hub des Ringkolbens unmittelbar erfaßt werden, wobei der Geberkolben mit dem Ringkolben über einen langgestreckten Stößel in Verbindung steht, sobald der Ringkolben sich nahe genug auf seine Endlage zu bewegt hat. Dabei ist der Stößel bei Erreichen der Endlage des Ring kolbens ganz in die Stirnseite der Druckkammer eingeschoben, und der Nehmerkolben mit dem Positionsmelder soll dabei ebenfalls seine Endlage zur Erfassung durch den Sensor erreicht haben. Gemäß den Ansprüchen 11 bis 13 ist vorgesehen, daß der Geberzylinder einen größeren Durchmesser aufweist als der Nehmerzylinder, wobei ein Flächenverhältnis in der Größenordnung von 1 zu 8 möglich ist, was einer Wegübersetzung mit demselben Betrag zwischen dem Geberkolben und dem Nehmer kolben entspricht. Vorgesehen ist ein Hub von etwa 1 bis 3 mm für den Geberkolben, vorzugsweise zwischen 1 und 1,5 mm. Damit kann der Nehmerkolben mit dem Positionsmelder einen Hub von etwa 10 mm vollziehen. Durch diese Wegübersetzung ist eine feinfühlige Abtastung der Hubbewegung des Ringkolbens und damit eine Endlagenmessung mit hoher Empfindlichkeit geschaffen. Der in den Innenraum im Bereich der Druckkammer hineinragende Stößel kommt mit dem Ringkolben somit erst in Kontakt, wenn dieser sich seiner Endlage bis auf die letzten 1 bis 3 mm genähert hat.- Gemäß den Ansprüchen 14 und 15 ist der Stößel mit einer Abdichtung gegen den in der Druckkammer herrschenden Hoch druck abgedichtet, ebenso die Geber- und Nehmerkolben gegenüber dem Außenbereich. Zwischen der Abdichtung des Stößels und dem Geberkolben kann eine ins Freie führende Entlastung vorgesehen sein. Mindestens einer der Geber- oder Nehmerzylinder weist eine Rückschubfeder für den ent sprechenden Kolben auf, damit die Kolben-Zylinder-Anordnung für das nächste Arbeitsspiel wieder seine Ausgangslage erreicht.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung mit einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

In einem Längsschnitt ist eine reibschlüssige Kupplung 1 dargestellt, die eine Welle 2 mit einem Gelenkwellenflansch 3 verbindet. Die reibschlüssige Kupplung 1 stellt somit ein selbständiges Bauteil dar mit einem Außenteil 4, das mit einem Innenteil 5 druckdicht verbunden ist und eine kegelige innenliegende Mantelfläche 8 aufweist. Das Außenteil 4 und das Innenteil 5 schließen einen druckdichten Innenraum 6 zwischen sich ein, in dem ein Ringkolben 7 mit kegeliger Außenmantelfläche versehen ist, die der Konizität der Wandung 8 entspricht. An den beiden Stirnseiten des axial verschieblichen Ringkolbens 7 sind Druckkammern 9, 10 gebildet, die über Kanäle 11 von außen her jeweils wechsel weise mit Druckmittel versorgt werden können. Dadurch läßt sich der Ringkolben in jeweils eine der beiden Endlagen verschieben. Dargestellt ist in der Zeichnung die Endlage des Ringkolbens 7, bei der die reibschlüssige Kupplung entlastet und damit von der Welle 2 lösbar ist. Bei Zufuhr von Druckmittel durch den Kanal 11 zur Druckkammer 9 wird der Ringkolben 7 zur nichtbeaufschlagten Druckkammer 10 hin verschoben und damit eine radiale Spannkraft zwischen dem Außenteil 4 und dem Innenteil 5 erzeugt zur reibschlüssigen Übertragung von Drehmoment zwischen der Welle 2 und dem Flansch 3.

Am stirnseitigen Ende der beiden Druckkammern 9, 10 befindet sich jeweils ein Geberzylinder 12 mit zur Drehachse der Kupplung paralleler Achsrichtung. Innerhalb des Geber zylinders 12 befindet sich ein Geberkolben 13 mit einem Stößel 14, der zur Stirnseite der jeweiligen Druckkammer bzw. des Ringkolbens hin gerichtet ist. Im vorliegenden Aus führungsbeispiel ist das Außenteil 4 bzw. das Innenteil 5 derart ausgebildet, daß jeweils einer der Geberzylinder 12 am Außenteil 4, nämlich der der Druckkammer 10 zugeordnete Geberzylinder, während der der Druckkammer 9 zugeordnete Geberzylinder am Innenteil 5 angeordnet ist. Jeweils dem entsprechenden Geberzylinder 12 zugeordnet ist am Außenteil 4 bzw. Innenteil 5 mit radialer Achsrichtung ein Nehmer zylinder 16 angeordnet mit einem Kolben 17. Die jeweils am Außenteil 4 bzw. Innenteil 5 angeordneten Geber- bzw. und Nehmerzylinder 12, 16 sind über einen Verbindungskanal 15 und eine Füllung aus inkompressiblem Medium miteinander verbunden. Am Kolben 17 des jeweiligen Nehmerzylinder 16 ist nach radial außen zum Außenumfang der reibschlüssigen Kupplung hin ein Positionsmelder 20 angeordnet. Dieser besteht aus sensorisch erfaßbarem Material, z. B. magnetischem Metall. Hinter jedem der Kolben 13 und 17 der Geber- und Nehmer zylinder 12, 16 ist eine Rückschubfeder 18 angeordnet. Der Kolben 17 und die Feder 18 des Nehmerzylinders 16 sind durch eine Befestigungsplatte 19 am Außenumfang der Kupplung befestigt. Diese Befestigungsplatte 19 besteht vorzugsweise aus sensorisch neutralem Material. Im Bereich des Nehmer zylinders 16 befindet sich ein Sensor 21. Dieser ist außerhalb der Kupplung, also nicht mitrotierend, befestigt und ist vorzugsweise als Näherungsschalter ausgebildet, wodurch er berührungsfrei mit geringem Abstand zur Ober fläche der Kupplung den Abstand des Indikators 20 erfassen kann.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist zu erkennen, daß der Ringkolben 7 in seiner entspannten Lage den Stößel 14 des Kolbens 13 innerhalb des der Druckkammer 9 zugeordneten Geberzylinders 12 vollständig nach innen verdrängt hat. Der Kolben 13 hat durch den Kanal 15 das enthaltene Druckmittel in den Nehmerzylinder 16 verdrängt so daß der Kolben 17 mit dem darauf befestigten Positionsmelder 20 nach radial außen bewegt worden ist. Dadurch kam der Positionsmelder 20 in erfaßbare Nähe zum Sensor 21, so daß dieser die erreichte Endlage des Ring kolbens 7 anzeigen kann. Wird hingegen Hochdruckmedium durch den Kanal 11 der Druckkammer 9 zugeführt, wobei die Druck kammer 10 entlastet ist, so bewegt sich der Ringkolben 7 nach links in die Stellung, bei der eine Radialspannung zwischen dem Außenteil 4 und dem Innenteil 5 erzeugt wird zur Bildung von Reibschluß an der Oberfläche der Welle 2. Kurz vor Erreichen der linken Endlage innerhalb der ent lasteten Druckkammer 10 wird der Stößel 14 des dortigen Geberkolbens 13 im Geberzylinder 12 eingedrückt, so daß wiederum der Kolben 17 des Nehmerzylinders 16 mit dem anderen Positionsmelder 20 nach radial außen verschoben wird zur Erfassung durch den anderen Sensor 21, analog zur Erfassung der Lage des Ringkolbens in der Druckkammer 9.

Es ist ausreichend, wenn der Stößel 14 jeweils nur wenige Millimeter in die jeweilige Druckkammer hineinragt und damit auch nur den Endbereich des Hubes des Ringkolbens 7 erfaßt. Von Vorteil ist eine Wegübersetzung zwischen dem Kolben 13 des Geberzylinders 12 und dem Kolben 17 des Nehmerzylinders 16. Dazu wird die effektive Kolbenfläche des Kolbens 13 mindestens fünf Mal größer ausgebildet als die Kolbenfläche des Kolbens 17 im Nehmerzylinder 16. Bewährt hat sich ein Flächenverhältnis von etwa 1 zu 8. Dies hat den Vorteil, daß einerseits auch kleine Bewegungen des Ringkolbens 7 noch erfaßt werden, während andererseits ein genügend großer Hub des Kolbens 17 im Nehmerzylinder 16 zustande kommt und damit eine zuverlässige Erfassung der radialen Lage des Positionsmelder 20 bzw. der axialen Lage des Ringkolbens 7 mittels des Sensors 21. Die Ausbildung der Befestigungsplatte 19 am Nehmerzylinder 16 aus sensorisch neutralem Material hat den Vorteil, daß der Sensor zuverlässig nur die Nähe des Positionsmelder 20 erfaßt. Während der Montage ist für einen Arbeitstakt für den Ringkolben 7, also eine Hubbewegung in der einen oder der anderen Verschieberichtung lediglich ein einziger Sensor gleichzeitig notwendig. Es kann somit jeweils derselbe Sensor für die Abtastung des Positionsmelder 20 für die Druckkammer 9 oder für die Druckkammer 10 verwendet werden. Für eine Fernbetätigung der Montage kann es auch erforderlich sein, zur Vereinfachung zwei Sensoren 21 zu verwenden, die gemeinsam in einer Haltevorrichtung (nicht dargestellt) auf die Kupplung aufgesetzt werden.

Claims

1. Reibschlüssige Kupplung zum drehfesten und lösbaren Verbinden zweier koaxialer Bauteile, z. B. einer Nabe und einer Welle, mit den folgenden Merkmalen:

a) ein der Nabe zugewandtes Außenteil und ein der Welle zugewandtes Innenteil umschließen einen sich axial erstreckenden kegelig ausgebildeten und nach außen druckdichten Ringraum;
b) in dem Ringraum befindet sich ein kegeliger Ring kolben, dessen Mantelflächen an den Mantelflächen des Ringraumes dichtend anliegen, der im Ringraum axial verschiebbar ist und an seinen Stirnseiten mit dem Ringraum Druckkammern bildet;
c) zu jeder Druckkammer führt ein Kanal zur Zufuhr von Druckmittel, das aus einer Hochdruckquelle in jeweils eine der beiden Druckkammern einspeisbar ist;

gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden weiteren Merkmale:

d) das Außenteil (4) weist mindestens einen beweglich geführten Positionsmelder (20) auf, dessen Lage innerhalb des Außenteiles (4) veränderbar ist;
e) der Ringkolben (7) ist mit dem Positionsmelder (20) so verbunden, daß bei Erreichen der End lage des Ringkolbens (7) in einer der Druckkammern (9, 10) der Positionsmelder (20) eine äußere Endlage erreicht hat;
f) außerhalb des Außenteiles (4) befindet sich ein Sensor (21), der auf eine Lageveränderung des Positionsmelders (20) aussprechbar ist, wenn dieser bei Erreichen der Endlage des Ringkolbens (7) ebenfalls seine Endlage erreicht hat.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Druckkammer (9, 10) ein Positionsmelder (20) sowie ein Sensor (21) zugeordnet ist.

3. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Ringkolben (7) und dem Positionsmelder (20) eine Kolben-Zylinder-Kombination ange ordnet ist, die einen dem Ringkolben (7) zugewandten Geberzylinder (12) mit Kolben (13) sowie einen Nehmer zylinder (16) mit Kolben (17) aufweist, die mit einem Verbindungskanal (15) verbunden und mit einem inkompressiblen Fluid gefüllt sind.

4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsmelder (20) mit dem Kolben (17) des Nehmerzylinders (16) integriert ist.

5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Positionsmelder (20) am Kolben (17) aus sensorisch erfaßbarem, vorzugsweise magnetischem Material besteht.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Nehmerzylinder (16) mit radialer Achse am Außenteil (4) angeordnet ist, wobei der Positionsmelder (20) dem Außenumfang des Außenteils (4) zugewandt am Kolben (17) des Nehmerzylinders (16) angeordnet und die radial äußerste Lage des Kolbens (17) der Endlage des Ringkolbens (7) in einer der Druckkammern (9, 10) entspricht.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (21) ortsfest nicht mitrotierend berührungsfrei im Umfangsbereich des Außenteils (4) angeordnet und als Näherungsschalter auf die Lage des Positionsmelders (20) reagierend ausgebildet ist.

8. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich um den Nehmerzylinder (16) am Außenumfang des Außenteils (4) aus sensorisch neutralem Material besteht und als Befestigungsplatte (19) ausgebildet ist.

9. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Geberzylinder (12) mit axialer Wirkrichtung an der Stirnseite der Druckkammer (9, 10) angeordnet ist, wobei am Kolben (13) des Geber zylinders (12) ein Stößel (14) angebracht ist, mittels dem der Kolben (13) im Endbereich des Hubes des Ring kolbens (7) axial verschiebbar ist.

10. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (14) in der Endlage des Ringkolbens (7) in der Druckkammer (9, 10) vollständig in die Stirnseite der Druckkammer (9, 10) eingedrückt ist, wobei der Kolben (17) des Nehmerzylinders (16) mit dem Positionsmelder (20) seine äußerste Endlage vor dem Sensor (21) erreicht hat.

11. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Geberzylinder (12) einen größeren Durchmesser aufweist als der Nehmerzylinder (16).

12. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Fläche des Kolbens (13) des Geberzylinders (12) acht Mal so groß ist wie die wirksame Fläche des Kolbens (17) des Nehmer zylinders (16).

13. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub des Kolbens (13) des Geber zylinders (12) im Bereich zwischen 1 und 3 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 1 und 1,5 mm.

14. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Geberzylinders (12) gegenüber dem in der Druckkammer (9, 10) herrschenden Hochdruck abgedichtet ist.

15. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der beiden Kolben (13, 17) des Geber- oder Nehmerzylinders (12, 16) eine Rückschubfeder aufweist.