DE4237612C2 - Elastisches Kupplungselement zur Drehmomentübertragung - Google Patents

Elastisches Kupplungselement zur Drehmomentübertragung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elastisches Kupplungselement, bestehend aus einer an einer Welle befestigbaren Nabe, einem elastischen mittleren Ringkörper aus elastomerem Werkstoff und einem harten äußeren Ringkör­ per, insbesondere einem Zahnkranz, zur formschlüssigen Drehmomentüber­ tragung, wobei die Nabe und der äußere Ringkörper stoffschlüssig mit dem mittleren Ringkörper verbunden sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Kupplungselementes.
Derartige Kupplungselemente werden in der Antriebstechnik zum Über­ tragen großer Drehmomente, zum Beispiel bei Antrieben von Schiffen, Lokomotiven oder Schwerfahrzeugen, eingesetzt. Der äußere Ringkörper hat meist die Form eines Zahnkranzes und wird zur formschlüssigen Drehmo­ mentübertragung in eine komplementäre Innenzahnung eingeschoben. Die Nabe wird auf eine Welle aufgeschoben und an einem Wellenflansch festge­ schraubt.
Ein Kupplungselement dieser Art ist bekannt aus der DE 28 34 490 A1 und besteht voll ständig aus Gummi, das im inneren Nabenbereich und im äuße­ ren Zahnkranzbereich faserverstärkt ist. Bei anderen bekannten Kupplungs­ elementen besteht die Nabe aus Stahl, der innere Ringkörper aus einer weichen Gummimischung mit einer Härte von etwa 45 Shore und der äußere Ringkörper aus einer harten Weichgummimischung, der Fasern zugesetzt sind, mit einer Härte von etwa 90 Shore. Ein derartiges Kupplungselement ist in der Weise zu fertigen, daß die Nabe, nachdem ihre Außenfläche mit einem Primer und einem Bindemittel eingestrichen wurde, in die Vulkani­ sierform eingelegt wird, der mittlere Ringkörper in die Vulkanisierform eingebracht wird und anschließend die harte Gummimischung zum Bilden des äußeren Ringkörpers in die Vulkanisierform eingespritzt wird. Der mittlere Ringkörper kann entweder durch Einspritzen der weichen Gummi- oder Elastomeremischung in die an die Form des mittleren Ringkörpers angepaßte Vulkanisierform hergestellt werden oder als konfektioniertes Halbfabrikat in die Vulkanisierform eingelegt werden.
Durch das Einspritzen der harten Gummimischung in die Vulkanisierform entstehen gegenüber den radialen Einspritzkanälen Eindrückungen, d. h. konkave Bereiche an der Außenfläche des mittleren Ringkörpers, die sich auch während des Vulkanisierens nicht zurückbilden. Hierdurch entstehen unterschiedliche Härtegrade im Übergangsbereich sowohl in Umfangsrich­ tung als auch in axialer Richtung. Durch die Härteunterschiede entstehen bei der Drehmomentübertragung unterschiedliche Spannungsverteilungen in dem Übergangsbereich. Diese Spannungsschwankungen führen zu einem frühzeitigen Ermüden des Materials und zu einer relativ kurzen Lebens­ dauer des Kupplungselementes.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach herstellbares elastisches Kupp­ lungselement zu schaffen, bei dem die Materialhärte und damit die Span­ nungsverteilung im Übergangsbereich zwischen dem mittleren und dem äußeren Ringkörper in Umfangsrichtung und in axialer Richtung homogen ist und welches dadurch eine hohe Lebensdauer hat.
Diese Aufgabe wird nach der der Erfindung dadurch gelöst, daß der äußere Ringkörper aus hartem Kunststoff wie Polyamid, besteht.
Durch die Verwendung eines äußeren Ringkörpers, zum Beispiel eines Zahnkranzes, aus hartem Kunststoff, welcher beim Vulkanisieren stoff­ schlüssig mit dem elastischen mittleren Ringkörper aus Naturgummi oder anderen Elastomeren verbunden wird, entsteht eine definierte Übergangs­ zone zwischen mittlerem und äußerem Ringkörper. Die Haftkraft zwischen dem äußeren Ringkörper aus Kunststoff und dem mittleren Ringkörper hat über die gesamte Kontaktfläche einen homoge­ nen Wert und ist nicht geringer als die Haftkraft zwischen den Ringkörpern beim bekannten Kupplungselement. Durch die homogene Spannungsverteilung bei der Drehmomentübertragung ermüdet das Material im Übergangsbereich wesentlich langsa­ mer und die Lebensdauer erhöht sich beträchtlich gegenüber dem bekannten Kupplungselement.
Optimale Werkstoffe für den mittleren Ringkörper des Kupp­ lungselementes sind Styrol-Butadien-Kautschuk, Natur­ kautschuk, Silikon-Kautschuk oder entsprechende Elastomere und Gemische davon mit einer Härte von 45-50 Shore. Die Nabe besteht, wie beim bekannten Kupplungselement, aus Stahl. Die Nabe kann aber auch aus Kunststoff bestehen. Für die Anbindung an Styro-Butadien-Kautschuk ist zum Beispiel das unter dem Warenzeichen Chemosil XY von der Firma Henkel vertriebene Bindemittel geeignet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kupplungs­ elementes zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 4 oder 5 gelöst.
Das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Kupp­ lungselementes ist nicht aufwendiger als das Herstellungs­ verfahren für die bekannten Kupplungselemente. Nach wie vor muß die an ihrer Außenfläche mit Primer und Bindemittel beschichteten Nabe in die Vulkanisierform eingelegt werden. Zusätzlich kann im gleichen Arbeitsgang der vorgefertigte, an der Innenfläche mit Primer und Bindemittel oder unmittel­ bar mit Bindemittel behandelte äußere Ringkörper in die Vulkanisierform eingelegt werden. Nach dem Schließen der Vulkanisierform wird der elastomere Werkstoff für den mitt­ leren Ringkörper eingespritzt und verbindet sich beim Vulka­ nisieren stoffschlüssig mit den anderen Bauteilen. Ein Eindrücken des Materials der Nabe oder des äußeren Ringkör­ pers findet hierbei nicht statt.
Ohne besondere ein- oder zweischichtige Bindesysteme anzu­ wenden, kann eine zuverlässige Verbindung zwischen dem mitt­ leren Ringkörper und dem äußeren Ringkörper bzw. dem Zahn­ kranz oder auch - wenn die Nabe aus Kunststoff hergestellt wird - zwischen der Nabe und dem mittleren Ringkörper auch durch Anwendung des sogenannten K+K-Verbundes erreicht werden. Dabei können die folgenden Werkstoffpaarungen einge­ setzt werden:
Polyamid für den äußeren Ringkörper und für die Nabe, Nitrilkautschuk (NBR) für den mittleren Ringkörper oder Phenylenoxid oder Polyphenylether für den äußeren Ringkörper oder für die Nabe und
Naturkautschuk (NR) oder Styrol-Butadien-Copolymer (SRB) oder Ethylen-Propylen-Dien-Terpolymer (EPDM) für den mittle­ ren Ringkörper.
Der äußere Ringkörper wird in der gleichen Form spritzgegos­ sen, in der anschließend die Vulkanisierung des mittleren Ringkörpers durchgeführt wird. Nach dem Einspritzen des Kunststoffes in die den äußeren Ringkörper definierende Form und dem Erkalten des so hergestellten äußeren Ringkörpers kann die Form geöffnet und der Formkern entfernt werden. Die Form ist mit einem weiteren Deckel zu schließen, in den die vorgefertigte, mit Primer und Bindemittel beschichtete Nabe eingelegt ist. Anschließend kann der elastomere Werkstoff für den mittleren Ringkörper für den Vulkanisiervorgang eingespritzt werden. In diesem Falle entfällt die Behandlung des äußeren Ringkörpers mit Primer und Bindemittel, da kurz nach dem Spritzgießvorgang des Ringkörpers dieser eine ausreichend starke Bindung mit dem eingespritzten elastome­ ren Werkstoff des mittleren Ringkörpers eingeht.
Wenn auch die Nabe aus Kunststoff besteht, kann diese eben­ falls in der Form hergestellt werden, in welcher der mittle­ re, elastische Ringkörper vulkanisiert wird.
Die Zeichnungen zeigen eine Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Kupplungselementes, bei dem der äußere Ringkörper von einem Zahnkranz gebildet ist. Sie zeigen in
Fig. 1 eine axiale Schnittansicht des Kupplungselementes und
Fig. 2 eine Teilansicht des Kupplungselementes in Draufsicht.
Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kupplungselement be­ steht aus der Nabe 1 aus Stahl, dem elastischen mittleren Ringkörper 2, der hier aus Styrol-Butadien-Kautschuk mit einer Härte von 45 Shore besteht, und dem äußeren Ringköper 3 aus glasfaserverstärktem Polyamid. Die Nabe ist topfförmig und weist auf ihrer axialen Stirnseite Bohrungen auf, die zur Aufnahme von Befestigungsschrauben zum Festschrauben der Nabe an einem Wellenflansch dienen. Die Randzonen der zylin­ drischen Kontaktfläche der Nabe zum mittleren Ringkörper sind abgerundet. Hierdurch werden die zu übertragenden Kräfte und Momente in den Randzonen auf eine größere Fläche verteilt und die Spannungswerte sinken. Dadurch wird verhin­ dert, daß sich die Verbindung zwischen Nabe und mittlerem Ringkörper, von den Stirnseiten des Kupplungselementes ausgehend, trennt.
Sowohl am Übergangsbereich zwischen der Nabe 1 und dem mittleren Ringkörper 2 als auch am Übergangsbereich zwischen dem mittleren Ringkörper 2 und dem Zahnkranz 3 ist die Haftkraft zwischen den verschiedenen Materialien homogen. Daraus ergibt sich eine homogene Spannungsverteilung bei Kraft- und Drehmomentübertragung durch das Kupplungselement. Der Kautschuk des mittleren Ringkörpers ermüdet in diesen Übergangsbereichen gleichmäßig, und das erfindungsgemäße Kupplungselement hat eine hohe Lebensdauer.

Claims (6)

1. Elastisches Kupplungselement zur Drehmomentübertragung bestehend aus einer an einer Welle befestigbaren Nabe (1) aus hartem Material, wie Stahl oder hartem Kunststoff, einem elastischen mittleren Ringkörper (2) aus elastomerem Werk­ stoff und einem harten äußeren Ringkörper (3), insbesondere einem Zahnkranz, zur formschlüssigen Drehmomentübertragung, wobei die Nabe (1) und der äußere Ringkörper (3) stoff­ schlüssig mit dem mittleren Ringkörper (2) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Ringkörper (3) aus hartem Kunststoff wie Polyamid, besteht und der elastische mittlere Ringkörper zwischen der Nabe (2) und dem äußeren Ringkörper (3) eingespritzt ist.
2. Elastisches Kupplungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elastomere Werkstoff aus natürlichem oder synthetischem Kautschuk, insbesondere aus Styrol- Butadien-Kautschuk (SBR) oder Naturkautschuk (NR) oder Silikon-Kautschuk, Chloropren-Kautschuk (CR) oder verwand­ tem Kautschuk oder Gemischen davon besteht und eine Härte im Bereich von 30 bis 70 Shore, vorzugsweise von 45 Shore, hat.
3. Elastisches Kupplungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nabe (1) und der äußere Ringkörper (3) aus glasfaserverstärktem Polyamid bestehen.
4. Verfahren zur Herstellung eines elastischen Kupplungsele­ mentes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • - Beschichten der Innenfläche des vorgefertigten äußeren Ringkörpers (3) und der Außenfläche der vorgefertigten Nabe (1) mit Bindemittel oder einem Primer und einem Bindemittel,
  • - Einlegen des äußeren Ringkörpers (3) und der Nabe (1) in eine Vulkanisierform,
  • - Schließen der Vulkanisierform und Einspritzen des elastomeren Werkstoffes in die Vulkanisierform und
  • - anschließendes Vulkanisieren.
5. Verfahren zur Herstellung eines elastischen Kupplungsele­ mentes mit einer vorgefertigten Nabe nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • - Einspritzen des Kunststoffes in eine Form zur Herstellung des äußeren Ringkörpers (3),
  • - Öffnen der Form und Entfernen des Formkerns nach dem Erkalten des Ringkörpers (3),
  • - Einlegen der vorgefertigten, mit einem einschichtigen oder mehrschichtigen Bindesystem beschichteten Na­ be (1) in die Form,
  • - Schließen der Form und Einspritzen des elastomeren Werkstoffes in die Form und Vulkanisieren zur Her­ stellung des mittleren Ringkörpers (2).
6. Verfahren zur Herstellung eines elastischen Kupplungsele­ mentes mit einer Nabe aus Kunststoff nach einem der Ansprü­ che 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
  • - Einspritzen des Kunststoffes in eine Form zur Herstel­ lung der Nabe (1) und des äußeren Ringkörpers (3),
  • - Öffnen der Form und Entfernen des zwischen Nabe (1) und Ringkörper (3) befindlichen Formkerns nach dem Erkalten der Nabe (1) und des Ringkörpers (3),
  • - Schließen der Form und Einspritzen des elastomeren Werkstoffes in die Form und Vulkanisieren zur Herstel­ lung des mittleren Ringkörpers (2).
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