DE4106945A1 - Elastische wellenkupplung und spannelement fuer diese - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung richtet sich auf eine elasti­ sche Wellenkupplung für die Kraftübertragung zwischen treibenden und getriebenen Wellen, z. B. für Propeller und Schiffsschrauben, um die Wellen miteinander zu kuppeln und eine Drehkraft von der treibenden auf die angetriebene Seite zu übertragen und ferner richtet die Erfindung sich auf ein für eine solche flexible Wellen­ kupplung geeignetes Spannelement.

Insbesondere werden derartige flexible Wellenkupplungen beispielsweise eingesetzt, um eine Schraubenwelle, die eine Maschinenkraft überträgt, eine Lenk- oder Steuer­ welle, die eine Drehkraft auf ein Lenkrad überträgt oder dergl. zu kuppeln.

Allgemein wird eine Drehkraft für den Antrieb eines Fahrzeuges oder dergl. von der Antriebs- auf die Ab­ triebswelle übertragen oder diese unterbrochen durch eine zwischen sich gegenüberliegenden und auf der treibenden und angetriebenen Welle montierten Flan­ schen angeordnete Wellenkupplung, wobei die Wellen in einer Achse liegen. Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, die Nachteile der Kupplungen nach dem Stande der Technik, die sich daraus ergebende Aufgabe und Ausführungsbeispiele für Kupplungen nach der Erfin­ dung sind in den Zeichnungen veranschaulicht und anhand derselben nachfolgend beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine Wellenkupplung nach dem Stande der Technik des "Solid"-Typs;

Fig. 2 eine Aufsicht auf eine Wellenkupplung nach dem Stande der Technik des "Component"-Typs;

Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Ausführungs­ form eines Mischgarns für ein Spannele­ ment nach der Erfindung in vergrößertem Maßstab;

Fig. 4 einen Querschnitt des Zentralbereichs einer Wellenkupplung nach Fig. 2, die bei dem beschriebenen vierten Versuch benutzt wurde.

Fig. 1 veranschaulicht eine sogenannte "Solid-Typ"- Wellenkupplung und Fig. 2 eine sogenannte "Component- Typ"-Wellenkupplung. Jede dieser Wellenkupplungen besitzt vier oder sechs Befestigungsbohrungen für die Befestigung der Wellenkupplung an den - nicht darge­ stellten Flanschen, welche an den einander zugewandten Enden der treibenden und getriebenen Welle ange­ bracht sind. Diese Bohrungen werden abwechselnd für die Befestigung mit den Flanschen der Antriebs- bzw. Abtriebswelle benutzt.

Die beispielhaft dargestellten Wellenkupplungen haben jede sechs Befestigungsbohrungen 1a bis 1c und 2a bis 2c. Bei diesen Beispielen dienen die Befestigungs­ bohrungen 1a bis 1c der Befestigung der Kupplung auf der Antriebsseite, während die Befestigungsbohrungen 2a bis 2c für die Befestigung auf der getriebenen Seite bestimmt sind. Jede der Bohrungen 1a bis 1c und 2a bis 2c ist von einer Hülse 3 umgeben und um jeweils zwei nebeneinanderliegenden Hülsen ist ein Spannelement 4 geschlungen. Die so aus den Hülsen 3 und Spannele­ menten 4 geformte Einheit ist in einem elastischen, z. B. aus Gummi bestehenden Element 5 (doughnut­ shaped elastic member) eingebettet. Eine Kupplung die­ ser Art wird allgemein als "Solid-Typ"-Kupplung be­ zeichnet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist jeweils ein Hülsenpaar 3 und ein Spannelement 4 in einem länglichen elastischen Element 5, z. B. aus Gummi eingeschlossen, wobei je eine Hülse 3 in zwei dieser länglichen Elemen­ te 5 eingebettet ist. Sechs solcher Einheiten werden zusammen für eine Kupplung verwendet, die allgemein "Component-Typ"-Kupplung genannt wird.

Da sie anstelle für die technische Funktion hoher Be­ deutung liegen, werden an solche Kupplungen hohe Anfor­ derungen gestellt. Eine beispielsweise in Hochtempera­ turumgebung eingesetzte Kupplung muß Spannelemente aufweisen, die einen genügend hohen Hitzewiderstand in dieser Kupplung aufweisen. Werden Kupplungen mit ela­ stischen Spannelementen in öliger Umgebung eingesetzt, müssen sie eine hohe von der Art des Öls abhängige Ölbeständigkeit, d. h. Beständigkeit gegen Öleinwir­ kung haben.

Nach dem Stand der Technik bestehen die Spannelemente aus einem Material, das aus solchen, wie z. B. Polyamid­ fasern (Nylon), Rayon-Fasern, Polyester-Fasern und Fasern aus aromatischem Polyamid und dergl. ausgewählt wurden, wobei eine Reihe von Betriebsbedingungen be­ achtet werden müssen. So muß z. B., weil das Drehmo­ ment von der Antriebs- auf die Abtriebsseite sicher übertragen werden muß, das um zwei benachbarte Hül­ sen geschlungene Spannelement eine ausreichende Bruch­ festigkeit bei Dauerdrehbelastung aufweisen. Material jedoch, das eine hohe Bruchfestigkeit, aber geringe Bruchdehnungsfestigkeit aufweist, ist für Spannele­ mente nicht geeignet.

Andererseits muß eine in einer Hochtemperaturumgebung eingesetzte Wellenkupplung eine sehr gute Hitzecharak­ teristik haben. Bei jeder Wellenkupplung mit einer zu hohen Wärmeschrumpfung der Spannglieder verschlech­ tern sich die Dämpfungseigenschaften (anti-vibration) und sie wird schließlich unbrauchbar. Eine zu geringe Dehnfähigkeit der Spannelemente wird natürlich deren Lebensdauer und die der Kupplung herabsetzen, auch wenn sie eine geringe Hitzeanfälligkeit aufweisen.

Bisher wurden Spannglieder nur aus einer ausgewählten Art der vorbeschriebenen Faser hergestellt, von denen keine vollständig den an solche Kupplungen gestellten Anforderungen genügt, so daß ein Bedürfnis für in die­ ser Richtung verbesserte Kupplungen bestand.

Die vorliegende Erfindung behebt die vorstehend be­ schriebenen Nachteile und betrifft Kupplungen, deren Spannelemente eine hohe Bruchfestigkeit, geringe Wärmeschrumpfung und ausreichende Dehnung aufweisen, wodurch solche Kupplungen auch eine nur geringe Ab­ nahme der Biegesteifigkeit erhalten.

Falls das Spannelement aus einem gezwirnten Garn aus Polyester besteht ist seine Bruchfestigkeit gering, während die Dehnfähigkeit groß ist und so wird zwar die Lebensdauer der Kupplung selbst hoch sein, während die Wärmeschrumpfung der Spannglieder zu hoch sein wird. Wenn also eine solche Kupplung in einer sehr warmen Umgebung eingesetzt werden muß, wird ihre Steifheit hoch und ihre Dämpfungseigenschaft gering sein. Dies gilt auch für gezwirntes Garn aus Polyamid.

Andererseits weist ein Spannelement aus aus aromati­ schem Polyamid bestehenden Garn eine hohe Festigkeit sowie extrem geringe Wärmeschrumpfung auf und ändert seine Eigenschaften in einer Hochtemperaturumgebung nur wenig, was leider aber mit dem Nachteil einer ge­ ringen Bruchdehnung verbunden ist. Deshalb besitzt ein Spannelement aus Garnen aus aromatischem Polyamid nur eine geringe Lebensdauer.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe für eine flexible Wellenkupplung für die Kraftübertragung mit über den Umfang abwechselnd angeordneten Hülsen auf der treibenden und getriebenen Seite, wobei um je zwei benachbarte Hülsen jeweils ein Spannelement ge­ schlungen ist und wobei die aus den Hülsen und Spann­ elementen bestehenden Einheiten in ein elastisches Element eingebettet sind dadurch, daß die Spann­ elemente aus gezwirnten Garnen hoher Bruchdehnung und Garnen geringer Wärmeschrumpfung zusammenge­ setzt sind. Diese um zwei benachbarte Hülsen ge­ schlungene Garnkombination besteht vorzugsweise aus Garnen aus Polyamid und/oder Polyester für die Si­ cherung hoher Zugfestigkeit und aus einem Garn aus aromatischem Polyamid für eine geringe Wärmeschrump­ fung.

In einer solchen Garnkombination bzw. Mischgarn, soll­ te das Verhältnis der Zahl der Drehungen des gezwirn­ ten Garns mit geringer Wärmeschrumpfung zu dem der Drehung eines Garns mit hoher Zugfestigkeit innerhalb eines bestimmten Bereichs liegen. Wenn man die Zahl der Grunddrehungen (primary twists) der Garne aus Polyamid und/oder Polyester mit "m" und die der Garne aus aromatischem Polyamid mit "n" bezeichnet, sollte das Verhältnis m : n zwischen 1 : 0,7 bis 1 : 2, zweck­ mäßig zwischen 1 : 1 bis 1 : 1,7 liegen. Dabei wird unter "Grunddrehung" oder "Grunddrall" der Drall der ein­ zelnen Garne bezeichnet, aus denen später das Mischgarn hergestellt wird.

Selbstverständlich kann eine Kupplung nach der Erfin­ dung sowohl eine der in Fig. 1 dargestellten als auch eine in Fig. 2 dargestellten Art sein.

Auch das in einer Kupplung nach der Erfindung eingesetzte Spannelement ist neu und gegenüber denen nach dem Stan­ de der Technik verbessert. Nach einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist deshalb ein Spannelement vor­ gesehen, in dem das gezwirnte Garn hoher Bruchdehnung aus Polyamid und/oder Polyester besteht, während das mit diesem oder mehreren zusammen verwendete Garn hoher Schrumpfungsbeständigkeit aus aromatischem Polyamid be­ steht und das Verhältnis der Zahl der Erstdrehungen des erstgenannten Garns (m) zum zweitgenannten (n) 1 : 0,7 bis 1 : 2 ist.

Dabei soll die Bruchdehnung und Wärmeschrumpfung im Mischgarn als Spannelement für eine flexible Wellen­ kupplung vorzugsweise in der Größenordnung von 7% bzw. zwischen 0% und 3,5% liegen und die An­ zahl der genannten Garne aus aromatischem Polyamid vorzugsweise 2 bis 4 betragen.

In einem Mischgarn der vorstehend genannten Kombina­ tion ist die Zugfestigkeit und Dehnfestigkeit des Polyamid- und/oder Polyestergarns mit den Wärmeei­ genschaften des Garns aus aromatischem Polyester kom­ biniert, wodurch eine Wellenkupplung mit hervorragen­ den Wärmebeständigkeitseigenschaften und vergrößerter Lebensdauer geschaffen wird.

Um die hohe Wärmeschrumpfung der Garne aus Polyamid und/oder Polyester zu kompensieren, besteht das Spann­ element nach der Erfindung aus einer Mischung dieser Garne mit einem oder mehreren Garnen aus aromatischem Polyamid, dessen Wäremdehnung sehr gering ist. Außer­ dem wird die Bruchdehnung des Garns aus aromatischem Polyamid durch die Begrenzung des Verhältnisses der Anzahl der Erstdrehungen zu dem der Garne aus Polye­ ster und/der Polyamid innerhalb eines vorbestimmten Bereichs verbessert. Das bedeutet, daß, wenn das Ver­ hältnis der Zahl der Erstdrehungen zwischen den beiden Garnarten nicht innerhalb des vorbestimmten Bereichs liegt, das Garn aus aromatischem Polyamid, das dem Spannelement aufgelastete Gewicht zu tragen hat, wo­ durch die Kompensationswirkung verringert wird.

Versuch 1

Die einzelnen Komponenten, d.h. einzelnen Garne des Mischgarnes wurden dem Versuch unterworfen. Die Kompo­ nenten waren:
gezwirntes Polyamid-Garn: 6-Nylon (1000 g/d),
gezwirntes Polyester-Garn: 1000 g/d.

Die Ergebnisse der Bruchdehnung und Wärmeschrumpfung dieser Einzelgarne gehen aus Tabelle 1 hervor. Dabei wurden im Schrumpfungsversuch die Garne in einer Umgebung von 150°C für 30 Minuten belassen und danach deren Schrumpfung gemessen. Wie aus der Tabelle 1 hervorgeht, ist die Bruchdehnung der gezwirnten Polyamid- und Polyester-Garne hoch und insbesondere die des Polyestergarns geeignet für die Verwendung in einer Wellenkupplung.

Tabelle 1

Dagegen zeigt das aus aromatischem Polyamid bestehende Garn eine sehr geringe Wärmeschrumpfung, was bedeutet, daß dieses Garn geeignet wäre als Spannelement für bei hoher Temperatur eingesetzte Kupplungen. Jedoch ist seine Bruchdehnung gering, weshalb dieses Garn nicht vorteilhaft für Spannelemente für Wellenkupplungen eingesetzt werden kann, weil es zur Lebensdauer nichts beiträgt.

Versuch 2

Danach wurden aus den vorgenannten Garnen aus Polyester und aromatischem Polyamid Garne zusammengefügt und mit­ einander verzwirnt zu einem Mischgarn. Diese Misch­ garne wurden entsprechenden Versuchen unterworfen. Die Zusammenfassung der gezwirnten Garne bzw. das Misch­ garn, wurden gewonnen aus der Verdrehung von insgesamt drei Einzelgarnen, nämlich von zwei Polyester-Garnen 11 und einem Garn 12 aus aromatischem Polyamid gemäß Fig. 3.

Die Zahl der Erstdrehungen des Polyestergarns 11 betrug in den Versuchen 38 (T/10 cm) und die der Garne 12 aus aromatischem Polyamid 45 (T/10 cm). Die Zahl der End­ drehungen des Mischgarns insgesamt betrug ebenfalls 45 (T/10 cm).

Die Mischgarne wurden den gleichen Versuchen, wie beim ersten Versuch unterworfen. Die Versuchsergebnisse sind in der Tabelle 2 dargestellt, die auch das Verhältnis der Drehungen der Einzelgarne zur Zahl der Drehungen des Mischgarns aufzeigt. Dabei bedeutet "a" die Anzahl der aromatischen Polyamid-Komponente und "b" die Zahl aller Garnkomponenten.

Tabelle 2

Der Versuch war so angelegt, daß die Bruchdehnung des Polyestergarns mit 1 und die Wärmeschrumpfung des Garns aus aromatischem Polyamid mit 1 angenommen wurde.

Tabelle 2 zeigt die Bruchdehnung und Wärmeschrumpfung des Mischgarns im Verhältnis zur Bruchdehnung 1 des Poly­ estergarns und im Verhältnis zur Wärmeschrumpfung 1 des Garnes aus aromatischem Polyamid. Wie aus Tabelle 2 ferner ersichtlich, haben die Mischgarne die Eigenschaften ihrer Einzelkomponenten und sind als Spannelement für Wellenkupplungen geeignet.

Versuch 3

Ähnlich wie beim zweiten Versuch wurden aus aus gezwirn­ ten Polyamidgarnen und aus aus aromatischem Polyamid be­ stehenden Garnen Mischgarne erzeugt und den gleichen Versuchsbedingungen unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefaßt.

Tabelle 3

Die Tabelle 3 zeigt auch, daß die aus der Verzwirrung zwei verschiedener Arten von Garnen gewonnenen Misch­ garne für Spannelemente einer Wellenkupplung geeignet sind.

Versuch 4

Es wurden Wellenkupplungen vorbereitet, die mit den im zweiten Versuch benutzten Mischgarnen bestückt waren und einem Dauerversuch unterworfen.

Verwendet wurden Kupplungen der Ausführungsart nach Fig. 2. Fig. 4 zeigt in einem gegenüber den Fig. 1 und 2 vergrößertem Maßstab den Zentralbereich einer Wellen­ kupplung dieses Typs gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Kupplung betrug der Abstand zwischen den Mittelachsen der Hülsen 3, 5 mm und das Mischgarn war in zehn Lagen zwischen den Flanschen 6 der Hülsen 3 gewunden. Der Abstand zwischen diesen Flanschen 6 be­ trug 11 mm. Danach wurden die Einzelteile, also das Mischgarn und die Hülsen 3 mit Flanschen 6 in längli­ che elastische Elemente 5 eingebettet und eine Befe­ stigungsbohrung 1 in ein kurzes Rohrstück 7 eingeformt, das in eine Hülse 3 eingepreßt wurde, wodurch ein Kernstück einer elastischen Wellenkupplung geschaffen wurde. Sechs solcher Kernstücke wurden zu einer fle­ xiblen Wellenkupplung gemäß Fig. 2 zusammengefaßt.

Nun wurde wiederholt eine Drehkraft auf das kurze Rohr­ stück 7 aufgebracht, um die Anzahl der Drehkraftstöße bis zum Bruch zu messen.

Tabelle 4 zeigt die Dauerbelastung der Wellenkupplungen, d. h. die Dauerbelastung der elastischen Wellenkupplungen nach der Erfindung wird unter der Annahme aufgezeigt, daß die Anzahl der Drehbelastungen bei einem Mischgarn der­ art a/b =0/3 bis zum Bruch gleich 1 ist.

Tabelle 4

Dabei ist die in der Tabelle genannte Biegesteifigkeit das Produkt aus einem Gewicht, das die Kupplung bis flex 1 deg. aus der Horizontalen bringt, wenn dieses Gewicht aufgebracht wird auf ein kurzes Rohrstück 7, das gegenüber einem anderen horizontal gehaltenen Rohrstück liegt mit dem Abstand zwischen der Mittel­ achse des Rohrstücks 7 auf der einen und der Mittel­ achse des Rohrstücks auf der gegenüberliegenden Seite, welcher Abstand nachfolgend "Armlänge" genannt wird. Die Biegesteifigkeit ist in kg×cm/deg. angegeben. Im vierten Versuch betrug die Armlänge der Wellen­ kupplung 14,3 cm. Das mittlere in kg gemessene Ge­ wicht, das aufgebracht werden mußte, um die Kupplung auf +/-2,5 mm auszubiegen (entsprechend einer Ausbie­ gung von 1 deg.) wurde gemessen und die Biegesteifig­ keit durch Multiplikation dieses Gewichts mit 14,3 cm bestimmt.

Wie aus Tabelle 4 ersichtlich besitzen erfindungsge­ mäße Wellenkupplungen mit Spannelementen aus Mischgar­ nen des Verhältnisses a/b = 2/3 und 1/3 hervorragende Dauerbelastungseigenschaften. Ferner erkennt man, daß die Dauerbelastung einer Wellenkupplung mit Spannele­ menten aus einem Mischgarn nur aus Garnen aus aromati­ schem Polyamid (a/b = 3/3) sehr gering ist.

Im Einsatz kann in manchen Fällen eine Wellenkupplung Wärme erzeugen und in vielen Fällen kann sie in einer Umgebung mit hoher Temperatur laufen. Deshalb sollte die Wellenkupplung möglichst keine größeren Abwei­ chungen in der Steifheit zeigen, wenn sie in einer Hochtemperaturumgebung eingesetzt wird.

Im vierten Versuch wurde die Biegesteifigkeit der Kupplung bei Normaltemperatur mit der bei einer Tempera­ tur von 80°C verglichen. Tabelle 4 zeigt, daß die Bie­ gesteifigkeit der Kupplung bei einem Verhältnis a/b = 0/3 (Stand der Technik) arg schwankt, während die Kupplungen nach der Erfindung auch in einer Hochtempe­ raturumgebung brauchbar sind.

Wie vorstehend beschrieben, bestehen die Spannelemente nach der Erfindung aus einem Mischgarn derart, daß die einzelnen, das Mischgarn bildenden Garne, mit ihren entsprechenden guten Eigenschaften wirken und gegensei­ tig ihre Schwächen kompensieren, so daß Kupplungen mit diesen Spannelementen eine erheblich gesteigerte Le­ bensdauer aufweisen.

Claims (4)

1. Elastische Wellenkupplung für die Kraftübertra­ gung mit über den Umfang abwechselnd für die treibende und getriebene Seite angeordneten Hülsen (3), um deren je zwei nebeneinanderliegende Spannelemente (4) ge­ schlungen sind, die zusammen mit den Hülsen (3) in ein elastisches Element, z. B. Gummielement (5), einge­ bettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Spannelement (4) aus gezwirntem Garn oder Garnen (11) hoher Bruchdehnung und aus Garn oder Garnen (12) geringer Wärmeschrumpfung besteht, die zu einem Misch­ garn zusammengezwirnt sind.

2. Wellenkupplung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischgarn aus Polyamid- und/oder Polyestergarn oder -garne für die hohe Bruch­ dehnung und aus Garn oder Garnen aus aromatischem Polyamid für die geringe Wärmeschrumpfung zusammenge­ setzt ist.

3. Wellenkupplung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zahl der Windungen (m) der Polyamid- und/oder Polyestergarne zu der Windungszahl (n) der Einzel­ garne aus aromatischem Polyamid m : n = 1 : 0,7 bis 1 : 2 beträgt.

4. Spannelement für eine elastische Wellenkupplung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß es aus einem Mischgarn aus Polya­ mid- und/oder Polyestergarn oder -garnen für eine hohe Bruchdehnung und aus Garn oder Garnen aus aroma­ tischem Polyamid für eine geringe Wärmeschrumpfung besteht, wobei das Verhältnis der Zahl der Windungen (m) des Polyamid- und/oder Polyestergarnes zur Zahl der Windungen (n) des Garns aus aromatischem Poly­ amid m : n = 1 : 0,7 bis 1 : 2 beträgt.