DE4028158A1 - Kupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupplung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.

Eine derartige Kupplung ist beispielsweise aus der GB-PS 20 23 250 bekannt. Im Fall dieser bekannten Kupplung wird eine Welle oder Achse mit einer Nabe mit Hilfe eines in Radialrichtung nach innen und nach außen ausdehnbaren zylindrischen Kupplungsteils gekuppelt, wobei sichergestellt wird, daß die Kupplung eine größere Kupplungskraft zwischen sich selbst und der Nabe als zwischen sich selbst und der Welle ausübt, unter anderem dadurch, daß eine Zwischenhülse zwischen der Außenseite der Welle und der Innenseite des Kupplungsteils befestigt wird. Im Fall einer Überlast dreht sich die Welle daher gegenüber der Kupplung und der darauf befestigten Nabe, woraufhin ein Druckentlastungsventil, das zwischen der Welle und der Kupplung wirksam ist, ausgelöst wird und bewirkt, daß sich die Nabe, die Kupplung und die Welle voneinander trennen.

Bei manchen Kraftübertragungssystemen treten Drehmomentspitzen von sehr kurzer Dauer auf, beispielsweise mit einer Dauer, die typischerweise in der Größenordnung von 1 bis 100 ms liegt. Typische Maschinen, die derartige Kraftübertragungssysteme aufweisen, sind durch Windkraft angetriebene elektrische Generatoren, Dieselmotoren und Gasturbinen. Es gibt zwei Gründe für das Auftreten von extrem hohen Drehmomentspitzen mit kurzer Dauer bei derartigen Maschinen. Einer dieser Gründe ist das Auftreten von Kurzschlüssen in dem elektrischen System und der andere resultiert aus einer fehlenden Gleichphasigkeit an einem elektrischen Netz. Andere Betriebsarten, bei denen derartige hohe Drehmomentspitzen auftreten können, ergeben sich aus der Verwendung von frequenzgesteuerten Asynchronmotoren zur Erzielung von Hochleistungsausgängen beispielsweise zum Antrieb von Hochgeschwindigkeitslokomotiven und Walzstraßen.

Die derzeit verwendeten Techniken zur Beseitigung von Problemen, die sich aus hohen Drehmomenten mit kurzer Dauer ergeben (Drehmomente, die dem Zehnfachen des normalen Drehmomentes entsprechen, sind üblich) umfassen:

• 1. Überdimensionieren des Kraftübertragungssystems, so daß das System in der Lage ist, die Drehmomentspitzen zu verarbeiten. Der Nachteil dieser Lösung besteht jedoch darin, daß die Überdimensionierung aufwendig ist und zu einem System mit unnötig hohem Gewicht führt.
• 2. Die Verwendung von Scherstift-Kupplungen oder ähnlichen Einrichtungen. Die Nachteile bestehen darin, daß es erforderlich ist, die Kupplung manuell wieder in Betrieb zu setzen, was zu unproduktiven Stillstandszeiten führt, die sehr aufwendig sein können, insbesondere im Fall von unbedienten Systemen.
• 3. Die Verwendung von Reibungskupplungen von Scheibentyp. Der Nachteil besteht hierbei darin, daß sehr große Kupplungsdurchmesser erforderlich sind, mit der sich daraus ergebenden großen Schwungradmasse, so daß in der Mehrzahl der Fälle diese Art von Lösung unpraktisch ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige und vorteilhafte Kupplung der eingangs genannten Art zu schaffen, die das Problem der hohen Drehmomentspitzen mit kurzer Dauer der vorstehend beschriebenen Art beseitigt, wobei auch die vorstehend beschriebenen Nachteile zumindestens im wesentlichen beseitigt sind.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Kupplung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Kupplung rutscht die Kupplung im Fall einer Überlastung in dem Kupplungsbereich, in dem das das Rutschen der Kupplung hervorrufende Drehmoment seinen niedrigsten Wert hat, d.h. zwischen dem Kupplungsteil und dem zweiten Teil. Im Fall von kurzen Überlastungen der Art, die bei den hier angesprochenen Anwendungen auftreten, rutscht die Kupplung lediglich über einen Bruchteil einer Umdrehung oder in ausgesprochen seltenen Fällen über eine oder zwei Umdrehungen, was die Kupplung aushalten kann, ohne daß eine Betätigung der Druckentlastungseinrichtung auftritt. Im Fall einer Überlast mit langer Dauer, die beispielsweise durch einen Lagerschaden hervorgerufen wird, rutscht die Kupplung jedoch über mehrere Umdrehungen, und als Ergebnis des relativ hohen Druckes, der bei Kupplungen dieser Art verwendet wird, werden sehr schnell hohe Temperaturen in dem Bereich zwischen dem Kupplungsteil und dem zweiten Teil als Ergebnis der Reibung erzeugt, mit der daraus folgenden Neigung des zweiten Teils, sich mit dem Kupplungsteil zu verschweißen oder an diesem zu fressen. Als Ergebnis wird ein höheres Drehmoment über die Kupplung übertragen, wobei dieses höhere Drehmoment die Kupplungskraft übersteigt, die zwischen dem Kupplungsteil und dem damit gekoppelten ersten Teil wirkt, so daß das Kupplungsteil und das erste Teil eine Relativdrehung zueinander ausführen und die Druckentlastungseinrichtung auslösen. Das Auslösen der Druckentlastungseinrichtung kann zu Schäden an der Kupplung und an dem zweiten Teil führen. Obwohl die Notwendigkeit einer Aktivierung der Druckentlastungseinrichtung im Fall der vorstehend genannten Anwendungsfälle äußerst selten ist (beispielsweise einmal in 50 oder 100 Jahren) ist diese Gefahr im Hinblick auf die Risikoanalyse immer noch ausreichend hoch, um die Einfügung der zusätzlichen Sicherheitsfunktion zu rechtfertigen, die durch die Möglichkeit der Auslösung der Sicherheits-Entlastungseinrichtung geschaffen wird, insbesondere im Hinblick auf die hohen Kosten der betreffenden Systeme.

Die erfindungsgemäße Kupplung ergibt im Vergleich mit bekannten Lösungen zur Bewältigung von hohen Dehmomentspitzen einen oder mehrere der folgenden Vorteile:

• 1. Eine sehr kompakte Konstruktion, die es ermöglicht, daß die erfindungsgemäße Kupplung bei allen Arten von Anwendungen verwendet werden kann.
• 2. Die Kupplung muß normalerweise nicht wieder in Betrieb gesetzt werden, nachdem ein Rutschen aufgetreten ist (die Notwendigkeit einer Wiedereinschaltung der Kupplung beträgt weniger als 1% der Fälle, die auftreten).
• 3. Die Kupplung erfordert ein Minimum an Wartungsarbeit.

Der erforderliche Unterschied in der Kupplungskraft zwischen dem Kupplungsteil und dem ersten Teil einerseits und dem Kupplungsteil und dem zweiten Teil andererseits kann in irgendeiner geeigneten Weise erzielt werden, wobei verschiedene geeignete Verfahren in den Unteransprüchen angegeben sind und diese Verfahren einzeln oder in Kombination anwendbar sind.

Um die Gefahr einer Beschädigung des Kupplungsteils und des zweiten Teils als Ergebnis eines Rutschens zwischen diesem Teil und dem genannten Teil bei Auftreten von hohen Drehmomentspitzen mit kurzer Dauer so gering wie möglich zu halten, ist die Berührungsoberfläche zwischen dem Kupplungsteil und dem zweiten Teil vorzugsweise geschmiert.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen noch näher erläutert.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen bruchstückhafte Axialschnittansichten einer ersten, zweiten, dritten und vierten Ausführungsform der Kupplung. Identische Bezugsziffern weisen in den verschiedenen Figuren die gleiche Bedeutung auf.

In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 allgemein eine Ausführungsform der Kupplung, die zum Kuppeln eines ersten Teils 10 in der Form einer Welle oder Achse mit einem hohlen zweiten Teil 12 in der Form einer Nabe bestimmt ist. Die Kupplung 10 wird in Axialrichtung auf der Welle 11 zwischen einem auf dieser Welle befestigten Ring 13 und einer kreisförmigen Platte 14 festgehalten, die an einem Ende dieser Welle befestigt ist. Die Kupplung 10 schließt ein zylindrisches Kupplungsteil 15 ein, in dem eine geschlossene zylindrische und langgestreckte Druckmittelkammer 16 angeordnet ist, die in Radialrichtung nach außen und nach innen durch zwei relativ dünnwandige hülsenförmige Teile 17 und 18 des Kupplungsteils 15 gebildet ist. Lager 19, die vorzugsweise in ein Schmiermittel enthaltenden Räumen befestigt sind, sind zwischen der Welle 11 und der Kupplung 10 befestigt, wobei ein Austritt des Schmiermittels durch Dichtungen 20 verhindert wird. Ein in der Platte 14 ausgebildeter Verbindungskanal 21 ermöglicht das Strömen des Schmiermittels zu einen zylindrischen Spalt 22 zwischen dem Kupplungsteil 15 und der Nabe 12.

Das zylindrische Kupplungsteil 15 weist einen verdickten Endteil 23 auf, in dem eine Einrichtung 24 zur Zuführung des Druckmittels, beispielsweise Öl, an die Kammer 16 angeordnet ist. Die Einrichtung 24 schließt ein Bruchrohr 25 ein, das beim Brechen oder Durchlochen die Kammer 16 in Verbindung mit der Umgebung der Kupplung bringt. Ein starr an der Welle 11 befestigter Ring 26 trägt einen Arm 27 mit einem gegabelten Ende, mit dem der Arm mit dem Rohr 25 in Eingriff kommt und dieses durchbricht oder durchlocht, wenn eine Relativdrehung zwischen der Welle 11 und der Kupplung 10 auftritt. Wenn das Druckmittel unter hohem Druck in die Kammer 16 eingeleitet wird, so dehnt sich das Kupplungsteil 15 in Radialrichtung nach außen und nach innen über eine elastische Verformung der hülsenförmigen Teile 17 und 18 aus, so daß die Welle 11 mit der Nabe 12 über das Kupplungsteil 15 gekoppelt wird. Die Wandstärke des hülsenförmigen Teils 17 ist um soviel größer als die Wandstärke des Teils 18, daß bei Vorherrschen eines vorgegebenen Druckes in der Kammer 16 die Nabe 12 mit dem Kupplungsteil 15 mit einer gewünschten Kupplungskraft gekoppelt wird, die um ein gewünschtes Ausmaß kleiner ist als die Kupplungskraft, die gleichzeitig zwischen dem Kupplungsteil 15 und der Welle 11 erzielt wird. Entsprechend setzt die Drehung der Nabe 12 gegenüber dem Kupplungsteil 15 ein erstes vorgegebenes Drehmoment voraus, das kleiner als ein zweites vorgegebenes Drehmoment ist, das erforderlich ist, damit sich die Welle 11 gegenüber dem Kupplungsteil 15 dreht.

Entsprechend bewirkt eine Drehung der Welle 11 gegenüber dem Kupplungsteil 15 ein Auslösen der Druckentlastungseinrichtung, die durch das Bruchrohr 25, den Ring 26 und den Arm 27 gebildet ist, um auf diese Weise die Kupplungskraft aufzuheben, die durch das Druckmittel in der Kammer 16 erzeugt wird, und um es der Kupplung 10 zu ermöglichen, sich frei auf der Welle 11 zu drehen, wobei die Kupplung auf den Lagern 19 gelagert ist. Es ist verständlich, daß das oben genannte erste Drehmoment kleiner als der Wert der auftretenden hohen Drehmomentspitzen mit kurzer Dauer ist. Wenn der Wert des ersten und des zweiten Drehmomentes über eine längere Dauer überschritten wird, so setzt sich die Nabe 12 auf dem Kupplungsteil 15 fest und verdreht das Kupplungsteil 15 und die Welle 11 gegeneinander, so daß die Druckentlastungseinrichtung 25 bis 27 aktiviert wird.

Im Fall der Ausführungsform nach Fig. 2 ist die zwischen der Welle 11′ und der Nabe 12′ wirkende Kupplung 10 zwischen einer Schulter 28 auf der Welle 11′ und der Platte 14 festgelegt. Der hülsenförmige Teil 17 ist bei dieser Ausführungsform wesentlich dünner als der hülsenförmige Teil 18, so daß die Kupplungskraft zwischen dem Kupplungsteil 15 und der Nabe 12′ größer als die Kupplungskraft zwischen dem Kupplungsteil 15 und der Welle 11′ ist, wenn ein Druckmittel in die Druckkammer 16 eingeleitet ist. Die Lager 19 sind zwischen dem Kupplungsteil 15 und der Nabe 12′ angeordnet. Die Nabe trägt den Ring 26 und den Arm 27 der Druckentlastungseinrichtung 25 bis 27. Auf diese Weise kann sich im Fall eines niedrigen Drehmomentes die Welle 11′ gegenüber dem Kupplungsteil 15 drehen während im Fall eines hohen Drehmomentes die Welle 11′ mit dem Kupplungsteil 19 verschweißt wird oder sich auf diesem festfrißt, so daß das Kupplungsteil 15 dann gegenüber der Nabe 12′ gedreht wird, was zu einem Auslösen der Druckentlastungseinrichtung 25 bis 27 führt, so daß die von der Nabe 12′ getragenen Lager 19 sich frei auf dem Kupplungsteil 15 drehen können.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform der Kupplungsanordnung stimmt mit der in Fig. 1 gezeigten Kupplungsanordnung mit der Ausnahme überein, daß die hülsenförmigen Teile 17 und 18 jeweils Begrenzungswände von jeweiligen Druckmittelkammern 16′ bzw. 16 bilden, die jeweils zugehörige Druckmittel-Zuführeinrichtungen 24′ bzw. 24 aufweisen. Eine Begrenzungswand, die beiden Druckmittelkammern 16, 16′ gemeinsam ist, ist mit 29 bezeichnet. Die Drücke in den beiden Kammern 16′ und 16 sind so ausgebildet, daß die Kupplungskraft, die zwischen der Nabe 12 und dem Kupplungsteil 15 wirkt, kleiner ist als die Kupplungskraft, die zwischen der Welle 11 und dem Kupplungsteil 15 wirkt, und lediglich die Druckmittel-Zufuhreinrichtung 24 ist so ausgebildet, daß sie mit einer Druckentlastungseinrichtung 25 bis 27 zusammenwirkt.

Die in Fig. 4 gezeigte Ausführungsform der Kupplungsanordnung stimmt mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung mit der Ausnahme überein, daß das Kupplungsteil 15 auf die Welle und die Nabe 12 über Zwischenelemente 30 und 31 wirkt. Bei der dargestellten Ausführungsform sind diese Zwischenelemente durch die beiden Schenkel eines einzigen einen U-Querschnitt aufweisenden ringförmigen Elementes 32 gebildet, das von der Welle 11 zusammen mit der Kupplung 10 über die Lager 19 gehaltert wird. Diese Anordnung der dargestellten Zwischenelement-Konstruktion vermeidet die Gefahr von Schäden an dem Kupplungsteil 15 und der Welle 11 im Fall des Auslösens der Kupplung 10.

Es ist versändlich, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist und daß Modifikationen und Änderungen innerhalb des Rahmens des erfindungsgemäßen Grundgedankens ausgeführt werden können, wie er in den folgenden Ansprüchen angegeben ist.

Claims (5)

1. Eine Kupplung zum Kuppeln von zwei zueinander koaxialen drehbaren Teilen (11, 12; 11′, 12′) beispielsweise einer Welle und einer Nabe, miteinander, mit einem im wesentlichen zylindrischen Kupplungsteil (15), das zwischen den miteinander zu kuppelnden Teilen anzuordnen ist und das in Radialrichtung sowohl nach außen als auch nach innen ausdehnbar ist, um auf die Teile (11, 12; 11′, 12′) eine Kupplungskraft über die Zwischenschaltung des Kupplungsteils (15) und wahlweise durch die Zwischenschaltung von Zwischenteilen (30, 31) auszuüben, wobei das Kupplungsteil eine Druckkammer (16, 16′) enthält, die sich entlang des Kupplungsteils erstreckt und mit einem Druckstömungsmittel gespeist wird, um die Ausdehnung des Kupplungsteils (15) zu bewirken, und die mit einer Druckentlastungseinrichtung (25-27) versehen ist, die bei einer Relativdrehung der Teile ausgelöst wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungsteil (15) so ausgebildet ist, daß es eine größere Kupplungskraft auf ein erstes (11; 12′) der Teile als auf ein zweites (12; 11′) der Teile ausübt, und daß die Druckentlastungseinrichtung (25-27) so ausgebildet ist, daß sie bei einer Relativdrehung zwischen dem ersten Teil (11; 12′) und dem Kupplungsteil (15) ausgelöst wird, jedoch eine Drehung zwischen dem zweiten Teil (12; 11′) und dem Kupplungsteil ermöglicht.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kupplungsaktive Anlagefläche des Kupplungsteils (15) mit dem ersten Teil (11) größer als die kupplungsaktive Anlagefläche des Kupplungsteils mit dem zweiten Teil (12) ist.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im nicht ausgedehnten Zustand des Kupplungsteils (15) der radiale Abstand zwischen diesem Kupplungsteil und dem ersten Teil (11; 12′) kleiner als der radiale Abstand zwischen dem Kupplungsteil und dem zweiten Teil (12; 11′) ist.

4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den relativ dünnwandigen äußeren und inneren hülsenförmigen Teilen (17, 18) des Kupplungsteils, die unter der Wirkung des Druckströmungsmittels in Radialrichtung nach außen bzw. nach innen in Kupplungsberührung mit den ersten und zweiten Teilen (11, 12) verformbar sind, das hülsenförmige Teil (18), das auf das erste Teil (11) gerichtet ist, eine geringere Wandstärke als das hülsenförmige Teil (17) aufweist, das auf das zweite Teil (12) gerichtet ist.

5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von den äußeren und inneren relativ dünnwandigen hülsenförmigen Teilen (17, 18) des Kupplungsteils, die unter der Wirkung des Druckströmungsmittels in Radialrichtung nach außen bzw. nach innen in Kupplungsberührung mit den ersten und zweiten Teilen (11, 12) verformbar sind und jeweils eine radial äußere und eine radial innere Begrenzungswand einer jeweiligen Druckkammer (16′, 16) bilden, die mit dem Druckstömungsmittel gefüllt sind, lediglich die Druckkammer (16), die eine Begrenzungswand aufweist, die in Berührung mit dem ersten Teil (11) verformbar ist, mit einer Druckentlastungseinrichtung (25, 27) versehen ist, die bei einer Relativdrehung zwischen dem ersten Teil und dem Kupplungsteil (15) ausgelöst wird.