DE4324759A1 - Drehelastische Wellenkupplung mit Gasfederbälgen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine drehelastische Wellenkupplung mit in Umfangsrichtung wirkenden Gasfederbälgen, die zwischen ersten Auslegern der treibenden Kupplungsseite und zweiten Auslegern der getriebenen Kupplungsseite angeordnet sind. Eine solche Wellen­ kupplung ist in dem G 19 70 286 offenbart.

Derartige Wellenkupplungen sind unter dem Begriff "Luftfeder­ kupplungen" bekanntgeworden, die der Forderung der Her­ steller von Dieselmotoren, insbesondere für den Schiffsbau, nach Kupplungen mit größerer Drehelastizität bei der Übertragung von gro­ ßen Drehmomenten entstand. So verwandte man als Federelement für die Kupplung aus dem Automobilbau stammende mit Druckluft gefüllte Luft­ federn zur Leistungsübertragung. Insbesondere beim Einsatz mit Die­ selmotorantrieben schätzt man die Eigenschaft von Luftfederkupplun­ gen, hohe motorseitige Wechselmomente reduzieren zu können. We­ sentliche Eigenschaft hierfür ist die niedrige Eigenfrequenz von Luftfederkupplungen und deren hohe Drehelastizität. Bei Anlagen, bei denen äußerster Wert auf Geräuschdämpfung gelegt werden muß, bringt die Luftfederkupplung durch ihr großes Körperschalldämmungsvermögen erhebliche Vorteile. Weiterhin ist eine genaue Ausrichtung der an- und abtriebseitigen Anlagen durch die Radialbeweglichkeit der Luft­ federkupplung nicht in dem bisher üblichen Maß erforderlich. Nachteil dieser extrem elastischen Kupplungen ist jedoch die starke Amplitu­ denüberhöhung bei Resonanzdrehzahl, die beim Anfahrvorgang eines Dieselmotors ein Durchfahren der Resonanz oft nicht zulassen, zumal dann, wenn die regelungstechnischen Eigenschaften eines Drehzahlre­ glers zu Instabilitätserscheinungen führen.

Hiervon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine gattungsgemäße Wellenkupplung anzugeben, deren Resonanzverhalten den Betriebsbereich einer Antriebsanlage nicht einschränkt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die ersten und/oder zweiten Ausleger auf ihrer vom Gasfederbalg abgewandten Umfangsseite gummielastische Anschläge aufweisen, wobei die An­ schläge auf gleichem Teilkreis liegen und je einem Anschlag eines ersten Auslegers ein Anschlag des benachbarten zweiten Aus­ legers gegenüberliegt und der Innendruck der Bälge während des Betriebes variabel einstellbar ist. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 17.

Die erfindungsgemäße Wellenkupplung hat den Vorteil, daß bei Beauf­ schlagung der Gasfederbälge mit entsprechend hohem Innendruck sich eine Relativverdrehung der treibenden zur getriebenen Kupplungsseite ergibt, wodurch die Ausleger an ihren Anschlägen aneinander liegen. Hierdurch wird bei niedrigen Drehzahlen eine höhere Drehsteifigkeit und somit resonanzkritische Betriebspunkte der Wellenkupplung zu höheren Drehzahlen hin verschoben. Je nach Anlaufcharakteristik einer Antriebsanlage kann die Wellenkupplung mit einer luft- bzw. gas­ elastischen oder mit einer gummielastischen Eigenfrequenz­ charakteristik betrieben werden. Nach Durchlaufen der luftelastischen kritischen Drehzahl im gummielastischen Zustand der Kupplung erfolgt ein Absenken des Innendruckes, wodurch sich die Anschläge voneinander lösen und die Wellenkupplung wieder eine rein luftelastische bzw. gaseleastische Charakteristik aufweist. Die gummielastischen An­ schläge und der einstellbare Innendruck der Bälge erlauben eine fle­ xible Anpassung dem Wellenkupplung an das Betriebsverhalten ver­ schiedenster Antriebsanlagen. Das Einsatzspektrum drehelastischer Wellenkupplungen kann daher erheblich erweitert werden.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt einer Wellenkupplung mit kupplungs­ konzentrischem Stützring,

Fig. 1b einen Längsschnitt der Wellenkupplung nach Fig. 1a mit in die Zeichenebene geklappten Auslegern,

Fig. 1c einen äußeren, kupplungskonzentrischen Schnitt der Wellenkupplung nach Fig. 1a,

Fig. 1d einen inneren kupplungskonzentrischen Schnitt der Wellenkupplung nach Fig. 1a,

Fig. 2a einen Querschnitt einer Wellenkupplung mit balgkonzentrischen Stützringen,

Fig. 2b einen Längsschnitt der Wellenkupplung nach Fig. 2a mit in die Zeichenebene geklappten Auslegern,

Fig. 3a einen gehäuselosen Querschnitt einer Wellenkupplung mit die Gasfederbälge diametral umfassenden Stützbügeln,

Fig. 3b einen Längsschnitt der Wellenkupplung nach Fig. 3a,

Fig. 4 ein Diagramm eines Verlaufs der Kupplungseigenfrequenz in Abhängigkeit der Motordrehzahl.

Fig. 1a zeigt eine erste Ausführungsform einer drehelastische Wellen­ kupplung 1 mit einem zylindrischen Kupplungsgehäuse 2 in dessen In­ neren fünf als Federelemente dienende Gasfederbälge 3 kreisbogenför­ mig angeordnet sind, wobei die Gasfederbälge 3 zueinander im gleich­ mäßigen Winkelabstand , der entsprechend der Anzahl der Gas­ federbälge 3, 1/5 von 360° (=72°) beträgt, liegen. Die beidseitig offenen Gasfederbälge 3 sind aus verstärktem Gummi ausgeführt und weisen jeweils einen ringförmigen Wulst 4 auf. Die ringförmigen Wül­ ste 4 liegen dabei jeweils in einer die Kupplungslängsachse L auf­ nehmende Ebene und erstrecken sich speichenförmig von der Kupplungs­ längsachse L nach außen. Bei Kontraktion der unter Innendruck stehen­ den Gasfederbälge 3 quer zu ihrer Wulstebene wirkt die Federkraft der Gasfederbälge 3 in Umfangsrichtung der Wellenkupplung 1. Die beiden offenen Balgenden 5 eines jeden Gasfederbalges 3 weisen jeweils einen umlaufenden Balgrand 6 auf. Diese Balgränder 6 sind jeweils mit einem entsprechend ausgebildeten Rand 7 eines ersten bzw. zweiten Auslegers 8, 9 lösbar verbunden. Die ersten und zweiten Ausleger 8, 9 sind wie­ derum mit einem Kupplungsflansch 10 der treibenden bzw. getriebenen Kupplungsseite 11, 12 verbunden, wie in den Fig. 1b und 1c weiter gezeigt.

Die Drehmomentübertragung der treibenden Kupplungsseite 11 zur ge­ triebenen Kupplungsseite 12 erfolgt daher von den ersten Auslegern 8 auf die zweiten Ausleger 9 über die zwischen den ersten und zweiten Ausleger 8, 9 liegenden druckkraftübertragenden Gasfederbälge 3. Zur Übertragung eines möglichst hohen Antriebsdrehmoments sind die Aus­ leger 8, 9 an ihrem jeweiligen Kupplungsflansch 10 auf einem möglichst weit außen liegenden kupplungskonzentrischen Teilkreis angebracht. Entsprechend dem Winkelabstand . . . der Gasfederbälge 3 sind die Ausleger 8, 9 mit gleichmäßigem Umfangsabstand zueinander angeordnet.

In ihrer Formgebung sind die ersten Ausleger 8 mit den zweiten Ausle­ gern 9 identisch und erstrecken sich axial in den durch die axiale Beabstandung der beiden Kupplungsflansche 10 entstehenden Zwischen­ raum 13 der Wellenkupplung 1. Die identische Formgebung der ersten und zweiten Ausleger 8, 9 ergibt eine Fertigungsvereinfachung. Im Bereich der auf halber axialer Zwischenraumlänge L/2 liegenden Gas­ federbälge 3 weisen die als Hohlkörper ausgebildeten Ausleger 8, 9 in Umfangsrichtung ausgerichtete Öffnungen 14 auf, über deren Ränder 7 die Ausleger 8, 9, wie zuvor beschrieben, mit den Balgenden 5 ver­ bunden sind. Die mit Druckluft gefüllten Hohlräume 15 der Ausleger 8, 9 und der Gasfederbälge 3 bilden somit balgweise zusammenhängende Luftvolumen die bei Drehmomentübertragung der Wellenkupplung kom­ primiert werden.

Zur Erhöhung der Montagefreundlichkeit sind die Ausleger 8, 9 mit den beiden Kupplungsflansche 10 verschraubt. In diesem Sinne er­ folgt die lösbare Verbindung zwischen den Gasfederbälgen 3 einer­ seits und den Auslegern 8, 9 andererseits mittels ringförmiger Schraubschellen 16, die jeweils einen Balgrand 6 zwischen dem Rand 7 des Auslegers 8, 9 und einem Klemmring 17 klemmen.

Um auch bei hohen Drehzahlen ein hohes Drehmoment übertragen zu können, weist die Wellenkupplung 1 einen in den Fig. 1a und 1b ersichtlichen kupplungskonzentrischen mitlaufenden Stützring 18 auf. Die bei hoher Drehzahl unter Fliehkraftwirkung stehenden Gasfederbälge 3 werden von dem Stützring 18 in einem radial äußeren Wulstbereich gehalten, wodurch einer unzulässigen Verformung der Gasfederbälge 3 bei Fliehkrafteinwirkung vorgebeugt wird. Zur möglichst flächenhaften Abstützung der Gasfederbälge 3 weist der Stützring 18 im Winkelabstand . . . voneinander beabstandete, konkav geformte Stützschalen 19 auf, die die Wülste 4 über eine aufvulkanisierte, aus Elastomer bestehende Dämpfungsschicht 20 kontaktieren. Aufgrund der stabilisierend wirkenden Stützschale 19 ist es möglich, den für ein hohes Drehmoment notwendigen Innen­ druck der Gasfederbälge 3 auch bei hoher Drehzahl ohne unzulässige Deformierung der Gasfederbälge 3 beizubehalten.

Um bei extremen Stoßbelastungen der Wellenkupplung 1 ein Durch­ schlagen der Gasfederbälge 3 und somit ein hartes aneinanderschlagen erster und zweiter Ausleger 8, 9 und der damit verbundenen Zerstö­ rungsgefahr zu vermeiden, weisen die Ausleger 8, 9 in das Innere der Gasfederbälge 3 weisende, gummielastische Anschläge 21 auf. Die An­ schläge 21 werden von Gummipuffern 22 mit ballenförmiger An­ schlagfläche 23 gebildet, wobei die Anschlagflächen 23 der im wesent­ lichen auf einem gemeinsamen Teilkreis liegenden Anschläge 21a, quer zur Umfangsrichtung ausgerichtet sind. Eine haft- und formschlüssige Verbindung der Gummipuffer 22 mit an den Auslegern 8, 9 angeformten Trägern 24 verhindert ein unbeabsichtigtes Ablösen der Gummipuffer 22 zuverlässig. Eine definierte Beabstandung der im Balgbereich gegen­ überliegenden Anschläge 21a stellt sicher, daß sich die Anschläge 21a erst nach Überschreiten eines höchstzulässigen Drehmoments sich berühren.

Wie ebenfalls in den Fig. 1a und 1d ersichtlich, sind auch auf der vom Gasfederbalg 3 abgewandten Umfangsseite 25 der Ausleger 8, 9 gum­ mielastische Anschläge 21b angebracht. Auch diese Anschläge 21b wer­ den von Gummipuffern 22 mit ballenförmiger Anschlagsfläche 23 ge­ bildet, deren Anschlagflächen 23 sich quer zur Umfangsrichtung er­ strecken. Die Gummipuffer 22 sind rückseitig der Träger 24 haft- und formschlüssig mit den Auslegern 8, 9 verbunden. Die Ausleger 8, 9 sind in Fig. 1a in luftelastischer Betriebsstellung gezeigt, d. h., die Anschlagsflächen 23 der in den balgfreien Räumen 13 zwischen den ersten und zweiten Auslegern 8, 9 einander gegenüberliegenden An­ schläge 21b berühren einander nicht. Mit zunehmender Erhöhung des Innendrucks in den Gasfederbälgen 3 bzw. in den angeschlossenen Hohl­ räumen 15 der Ausleger 8, 9 wird eine Relativverdrehung der beiden Kupplungsseiten 11, 12 bewirkt. Diese Relativverdrehung wiederum hat zur Folge, daß die einen Gasfederbalg 3 aufnehmenden Ausleger 8, 9 sich auseinanderbewegen, bis daß sich die Ausleger 8, 9 im balgfreien Zwischenraum 13 an ihren Anschlägen 21b berühren. Dieser anliegende Betriebszustand der Wellenkupplung 1 ist in der Fig. 1d dargestellt. Dieser Betriebszustand führt zu einer sog. hartelastischen Drehmo­ mentübertragungscharakteristik der Wellenkupplung 1, wodurch sich die Kupplungseigenfrequenz, wie im Diagramm der Fig. 4 gezeigt, unstetig auf einen erheblich höheren Wert verändert. Wird nun der Druck in den Gasfederbälgen 3 wieder abgesenkt so lösen sich die Anschläge 21b voneinander, so daß der luftelastische Betriebszustand der Wellen­ kupplung 1 vorliegt. Der hartelastische Betriebszustand der Wellen­ kupplung 1 ist bei Startvorgängen von Antriebsanlagen von Vorteil, um den für den luftelastischen Zustand besonders kritischen unteren Drehzahlbereich resonanzfrei durchfahren zu können. Bei einer Motor­ drehzahl oberhalb dieses Drehzahlbereiches erfolgt ein Absenken des Innendruckes, so daß die Eigenfrequenzkennlinie unstetig in einen luftelastischen Frequenzverlauf F1 bei einer Frequenz deutlich unter­ halb der hartelastischen Frequenzkennlinie übergeht. Im Vergleich hierzu ist die Kennlinie Fr einer rein hartelastischen Wellenkupplung gezeigt, die bei Drehzahlen innerhalb des Betriebsbereiches res­ onanzkritische Drehzahlpunkte P1, P2, P3 und P4 aufweist. Da die Kupplungseigenfrequenz der luftelastisch betriebenen Wellenkupplung 1 deutlich unterhalb der hartelastischen Kennlinie liegt, kann der Betriebsbereich ohne Durchfahren resonanzkritischer Betriebspunkte genutzt werden.

In den Fig. 2a und 2b ist eine weitere Ausführungsform der Wellen­ kupplung 1 gezeigt, die sich gegenüber der Wellenkupplung 1 nach den Fig. 1a bis 1d dahingehend unterscheidet, daß die Gasfederbälge 3 jeweils einen separaten Stützring 18 aufweisen, der den Gasfederbalg 3 am Wulst 4 umfaßt und mit diesem durch Vulkanisieren haftschlüssig verbunden ist. Um ein radiales Auswandern der Stützringe 18 mit den Gasfederbälgen 3 unter Fliehkrafteinwirkung zu vermeiden, sind die Stützringe 18 zwischen zwei axial beabstandeten, zentrischen Naben­ scheiben 26 miteinander verschraubt. Zu dem wirken die Stützringe 18 als körperschalldämmende Sperrmassen. Ansonsten entspricht die Wel­ lenkupplung nach den Fig. 2a und 2b bis auf die fehlenden balgsei­ tigen Anschläge 21a der Ausführungsform nach den Fig. 1a bis 1d.

Eine dritte Ausführungsform der Wellenkupplung 1 ist in den Fig. 3a und 3b dargestellt, wobei die Wellenkupplung 1, vier im Winkel ab­ stand . . . = 90° symmetrisch angeordnete Gasfederbälge 3 aufweist. Die Gasfederbälge 3 sind doppelwülstig, mit einer mittig liegenden Wulsteinschnürung 28 ausgeführt. Zur Fliehkraftabstützung der Gas­ federbälge 3 ist anstelle von Stützringen ein zweiteiliges zen­ trisches Stützkreuz 27 vorgesehen, dessen verschraubte Kreuzhälften an den Kreuzenden halbkreisförmige Ringhälften aufweisen, diametral gegenüberliegende Gasfederbälge 3 in ihren Wulsteinschnürungen 28 umfassen.

Claims (17)

1. Drehelastische Wellenkupplung mit in Umfangsrichtung wirkenden Gasfederbälgen, die zwischen ersten Auslegern der treibenden Kupp­ lungsseite und zweiten Auslegern der getriebenen Kupplungsseite angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und/oder zweiten Ausleger (8 bzw. 9) auf ihrer vom Gasfederbalg (3) abge­ wandten Umfangsseite (25) gummielastische Anschläge (21b) auf­ weisen, wobei die Anschläge (21b) auf gleichem Teilkreis liegen und je einem Anschlag (21b) eines ersten Auslegers (8) ein An­ schlag (21b) des benachbarten zweiten Auslegers (9) gegenüberliegt und der Innendruck der Bälge (3) während des Betriebes variabel einstellbar ist.

2. Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und/oder zweiten Ausleger (8 bzw. 9) zusätzlich balgseitig gummielastische Anschläge (21a) aufweisen, wobei die Anschläge (21a) auf gleichem Teilkreis liegen und je einem Anschlag (21a) eines ersten Auslegers (8) ein Anschlag (21a) des benachbarten zweiten Auslegers (9) gegenüberliegt.

3. Wellenkupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Gasferderbalg (3) abgewandte Anschlag (21b) und der balgsei­ tige Anschlag (21a) eines jeden Auslegers (8, 9) jeweils rückseitig ihrer Anschlagfläche (23) miteinander verbunden sind.

4. Wellenkupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die miteinander verbundenen Anschläge (21b,b) eines jeden Auslegers (8, 9) im wesentlichen auf gleichem Teilkreis liegen.

5. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die balgseitigen Anschläge (21a) innerhalb des gasgefüllten Raumes der Gaserfederbälge vorgesehen sind.

6. Wellenkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschläge (21a,b) der ersten oder zweiten Ausleger (8, 9) gummielastisch und die der zweiten bzw. der ersten Ausleger (9, 8) unelastisch ausgeführt sind.

7. Wellenkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagflächen (23) der gummielastischen Anschläge (21a,b) ballenförmig ausgebildet sind.

8. Wellenkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleger (8, 9) einer oder beider Kupp­ lungsseiten (11, 12) zumindest teilweise als Hohlkörper ausge­ bildet sind, deren Hohlräume (15) über Öffnungen (14) mit den Gasfederbälgen (3) in Verbindung stehen.

9. Wellenkupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausleger (8, 9) öffnungsseitig geschlossene Ränder (7) aufweisen, an welchen die entsprechend ausgebildeten Balgenden (5) lösbar befestigt sind.

10. Wellenkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenkupplung (1) einen kupplungskon­ zentrischen mitlaufenden Stützring (18) aufweist, der die Gas­ federbälge (3) stellenweise umfaßt, wobei die Gasfederbälge (3) in einem radial äußeren Bereich radial innen am Stützring (18) an­ liegen.

11. Wellenkupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Stützring (18) Stützschalen (19) angebracht sind, die die Gas­ federbälge (3) jeweils teilweise umfassen.

12. Wellenkupplung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen den Stützschalen (19) und den Gasfederbälgen (3) eine Dämp­ fungsschicht (20) vorgesehen ist.

13. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gasfederbälge (3) jeweils einen Stützring (18) aufweisen, die den äußeren Wulst (4) der Gasfederbälge (3) umfassen und die Stützringe (18) im Kupplungszentrum Z miteinander verbunden sind.

14. Wellenkupplung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützringe (18) mit den Gasfederbälgen (3) haftverbunden sind.

15. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gasfederbälge (3) jeweils einen Stützring (18) aufweisen, die die mehrwulstig ausgeführten Gasfederbälge (3) in einer mittleren Wulsteinschnürung (28) umfassen und die Stütz­ ringe (18) im Kupplungszentrum Z miteinander verbunden sind.

16. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gasfederbälge (3) jeweils einen Stützring (18) aufweisen, die von halbkreisbogenförmigen, verbundenen Ring­ hälften (29) gebildet werden.

17. Wellenkupplung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützringe (18) bezüglich einer zur Kupplungslängsachse L senkrechten Ebene im wesentlichen symmetrisch geteilt sind und die Hälften (29) jeder Seite zu einem zentrischen Stützkreuz (27) verbunden sind.