DE4427809A1 - Axialkraftgesteuerte Reibkupplung für einen Gewindetrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In der Siemens-Firmendruckschrift A25090-A522-A110-4 wird über einen Weichenantrieb berichtet, bei dem die Umsetzung der Drehbewegung eines antreibenden Motors in eine geradli­ nige Stellschieberbewegung über einen Kugelgewindetrieb (KGT) erfolgt. Eine als Lammellen-Naßkupplung ausgeführte Stell­ kraftkupplung in Antriebsrichtung vor dem Kugelgewindetrieb sorgt für eine Stellkraftbegrenzung; läßt sich die jeweils zugehörige Weiche nicht in die vorgesehene Endlage steuern, rutscht die Stellkraftkupplung beim Überschreiten der vorge­ gebenen Stellkraft durch und der Antriebsmotor läuft bis zu seinem Abschalten weiter.

In einer prioritätsgleichen deutschen Patentanmeldung wird über einen Weichenantrieb berichtet, bei dem die Stellkraft­ kupplung aus bestimmten Gründen in Antriebsrichtung hinter dem Gewindetrieb angeordnet ist, wobei sie vorzugsweise mit der Spindelmutter des Gewindetriebes baulich vereinigt ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Stellkraftkupplung anzugeben.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Die erfindungsgemäße Kupplung besteht aus nur wenigen in der Praxis erprobten und hoch zu­ verlässigen, dabei aber preiswerten Teilen, die sich leicht montieren und vor Ort einstellen lassen.

Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kupplung sind in den Unteransprüchen angegeben.

So lehrt der Anspruch 2 das Zusammenwirken von Kupplungs­ geometrie und für die Stellkraftübertragung vorgesehener Druckfeder.

Diese Druckfeder kann gemäß Anspruch 3 nur einmal oder gemäß Anspruch 4 zweimal je Kupplung vorgesehen sein, wobei sie gemäß Anspruch 5 vorzugsweise als Tellerfeder oder als Kombi­ nation mehrerer Tellerfedern ausgebildet sein sollen. Diese Tellerfedern lassen sich auf engstem Raum unterbringen und erzeugen in Verbindung mit entsprechenden Reibflächen ausrei­ chend hohe Reibkräfte für die Kraftübertragung.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht gemäß Anspruch 6 vor, die Kupplung aus rotationssymmetrischen Teilen kompakt und raumsparend aufzubauen; dies bringt auch fertigungstechnische Vorteile mit sich.

Das Verschließen der zylindrischen Gehäuseteile der Kupplung soll gemäß Anspruch 7 durch Stellmuttern erfolgen, über die sich der Federweg der Federn und damit unterschiedliche Reibkräfte einstellen lassen.

Für die Führung der Tellerfedern sind gemäß Anspruch 8 Füh­ rungsringe vorgesehen, gegen die sich die Tellerfedern abstützen; diese Führungsringe sorgen dafür, daß sich die Tellerfedern nicht verkanten können und daß sie zusammen mit der Kupplung gegenüber der Gewindespindel axial verschiebbar sind.

Wenn sich das Drucklager auf der einen Seite der Kupplung gemäß Anspruch 9 direkt gegen die zugehörige Stellmutter abstützt, wird zum Erzeugen der Stellkräfte nur eine einzige Feder oder Federkombination jeweils auf der anderen Seite der Kupplung benötigt.

Die Ausbildung der Hohlzylinder gemäß Anspruch 10 lehrt eine konstruktiv besonders vorteilhafte Ausgestaltung der dreh­ steif gegeneinander beweglichen Kupplungsgehäuseteile.

Bei einer aus rotationssymmetrischen Teilen aufgebauten Kupplung soll gemäß Anspruch 11 auch der auf einer entspre­ chend ausgeführten Spindelmutter bewegliche Mantelkörper als Hohlzylinder ausgebildet sein, der in bestimmter Weise dreh­ steif auf der Spindelmutter geführt ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 die erfindungsgemäße Kupplung in einer teilweisen Schnittdarstellung, in den Fig. 2 und 3 die das Kupplungsgehäuse bildenden beiden Hohlzylinder und in den Fig. 4 und 5 senkrechten Schnitte durch diese Hohlzy­ linder.

Fig. 1 zeigt schematisch eine mit einem Kugelgewindetrieb baulich vereinigte Reibkupplung. Der Kugelgewindetrieb be­ steht aus der Kugelspindel 1 und der sie umschließenden Spindelmutter 2, in der die nicht dargestellten Kugeln für die Umsetzung einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung erfolgt; die Spindelmutter ist von zylindrischer Gestalt. Sie bewegt sich je nach Drehrichtung der Spindel 1 in axialer Richtung der Spindel entweder nach links oder nach rechts und überträgt dabei diese Bewegung auf ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Element, z. B. einen Stellschieber, der gerad­ linig hin und her bewegt werden soll. Dies geschieht über einen drehsteif mit der Spindelmutter 2 verbundenen Hohlzy­ linder 3, der auf noch zu erläuternde Weise von den Kupp­ lungsgehäuseteilen 4 und 5 festgehalten wird, solange die der Kupplung eigene Stellkraft nicht überschritten ist. Eines der beiden auf geeignete Weise mit dem jeweils anzutreibenden Element verbundenen Kupplungsgehäuseteile hält über den dreh­ steif mit der Spindelmutter verbundenen Hohlzylinder 3 die Spindelmutter 2 fest und verhindert so, daß diese sich zusammen mit der Gewindespindel 1 drehen kann. Das Kupplungs­ gehäuse besteht aus zwei baugleichen Hohlzylindern 4 und 5, deren Ausgestaltung den Fig. 2 bis 5 zu entnehmen ist. Die beiden Hohlzylinder weisen vorzugsweise jeweils zwei sich diagonal gegenüberliegende axiale Längsschlitze 6 und 7 bzw. 8 und 9 auf, deren Breite geringfügig größer ist als die Breite der verbleibenden Stege 10 und 11 bzw. 12 und 13. Die beiden Hohlzylinder 4 und 5 sind mit ihren Stegen aufeinan­ derweisend von beiden Seiten her auf die Gewindespindel aufgesteckt, wobei ihre Stege jeweils in die Längsschlitze des jeweils anderen Hohlzylinders fassen und in ihnen in axialer Richtung drehsteif verschiebbar sind. Jeder der beiden Hohlzylinder weist einen zur Gewindespindel 1 vorste­ henden ersten Anschlag 14 bzw. 15 auf, mit dem er beim Über­ einanderstecken der beiden Hohlzylinder an je einer Stirnflä­ che 16 bzw. 17 des Hohlzylinders 3 anliegt. Die Anschläge 14 und 15 der Hohlzylinder sind als radial umlaufende Kragen ausgebildet. Die aufeinanderliegenden Flächen dieser Kragen und der Stirnflächen des Hohlzylinders 3 bilden die Reibflä­ chen der Kupplung; sie weisen hierzu eine spezielle Oberflä­ chenstruktur auf. Das jeweils den Stegen abgewandte Ende der beiden Hohlzylinder 4 und 5 ist durch beim Montieren der Kupplung einsetzbare Stellmuttern 35 bzw. 18 verschließbar; zu diesem Zwecke sind die Enden der Stege 10 bis 13 mit einem entsprechenden Gewinde 19 bzw. 20 versehen. Die Stellmuttern bilden die Anlage für eine oder mehrere vorzugsweise als Tellerfedern 21, 22 ausgebildete Federn, welche die Kraft aufbringen, mit denen die Reibflächen der beiden Kupplungsge­ häuseteile auf die Reibflächen der auf der Spindelmutter geführten Hohlzylinder einwirken. Wie im dargestellten Aus­ führungsbeispiel können anstelle einer einzigen Tellerfeder auch Anordnungen aus jeweils zwei oder mehr Tellerfedern zum Kraftaufbau vorhanden sein. Die Tellerfedern sind zwischen den Stegen der Kupplungsgehäuseteile und dem Spindeltrieb 1 geführt. Hierzu weisen die Stellmuttern sowie gesonderte, zur Spindelmutter hin auf die Gewindemutter aufgesteckte Füh­ rungsringe 23, 24 rotationssymmetrische achsparallele Vor­ sprünge auf, hinter die die Tellerfedern fassen. Die Füh­ rungsringe 23, 24 stützen sich über Drucklager 25, 26 und weitere Führungsringe 27, 28 an je einer Stirnseite der Spindelmutter 2 ab. Die Tellerfedern 21, 22 bauen die auf die Reibflächen 14, 16 bzw. 15, 17 wirkenden Reibkräfte auf, indem sie sich einerseits über die Stellmuttern 35, 18 und die Gehäuseteile 4, 5 an diesen und über die Andruckteile 23, 25 und 27 bzw. 24, 26 und 28 an der Spindelmutter 2 abstüt­ zen. Betrachtet man dabei jedes Gehäuseteil für sich, so würde sich der Hohlzylinder 3 auf der Spindelmutter 2 jeweils soweit nach links oder rechts verschieben, bis er an einem der Führungsringe 27 bzw. 28 anliegen würde; weil aber beide Gehäuseteile gleichzeitig auf den Hohlzylinder 3 wirken, stellt sich ein Kräftegleichgewicht ein, das den Hohlzylinder 3 zwischen den Führungsringen 27 und 28 hält. Dieses Gleichgewicht stellt sich auch ein, wenn anstelle von zwei getrennten Tellerfedersystemen nur eines vorhanden ist. In diesem Fall würden sich die achsparallelen Vorsprünge zwischen Führungsring 23 und Stellmutter 35 bzw. Führungsring 24 und Stellmutter 18 auf der Seite der Kupplung, auf der keine Tellerfedern vorhanden sind, aneinanderlegen, wobei der Hohlzylinder 3 nach der jeweils anderen Seite aus der angenommenen Mittellage etwas auswandern würde.

Die von den Tellerfedern 21 und/oder 22 ausgeübten Kräfte wirken über die Reibflächen 15, 17 und 14, 16 als Stellkräfte auf das Element ein, das über den Spindelbetrieb zu bewegen ist. Werden diese Stellkräfte überschritten, beispielsweise weil daß zu bewegende Element blockiert ist, so geschieht folgendes:
Weil sich das mit diesem Element verbundene Gehäuseteil nicht mehr in Vorschubrichtung bewegen läßt, bewegt sich nunmehr die in dem Hohlzylinder 3 drehsteif, aber längsverschiebbar angeordnete Spindelmutter 2 in Kraftübertragungsrichtung entweder nach links oder nach rechts gegenüber der angenomme­ nen Ausgangsposition. Damit werden die in Kraftübertragungs­ richtung vorn liegenden Tellerfedern über ihre Vorspannung hinaus gespannt und die jeweils anderen Tellerfedern etwa entspannt. Wenn nun die Spindelmutter eine bestimmte Weg­ strecke in der Größenordnung,von einem oder einigen wenigen Millimetern zurückgelegt hat, läuft sie mit dem in Bewegungs­ richtung jeweils vorn liegenden Drucklager 25, 26 gegen einen umlaufenden Kragen 33, 34 desjenigen Gehäuseteiles, dessen Tellerfedern zuvor entlastet wurden. Bei weiterer Auslenkung der Spindelmutter hebt sie dabei die Reibfläche 15 bzw. 14 von der entsprechenden Reibfläche 17 bzw. 16 des Hohlzylinders 3 soweit ab, daß ein Gleichgewicht zwischen den Tellerfedern und der Axialkraft ( vorgegebene Stellkraft) sowie dem dazu notwendigen Drehmoment bei rutschender Kupplung eintritt.

Nimmt die von außen auf die Kupplung wirkende Kraft ab ( vorgegebene Stellkraft), entspannen sich die durch das Auslenken der Spindelmutter zusammengedrückten Tellerfedern wieder, wobei sie über die Reibflächen 14 bzw. 15 des jeweils zugehörigen Gehäuseteiles den Hohlzylinder 3 auf der Spindel­ mutter soweit in Auslenkrichtung der Spindelmutter verschie­ ben, daß sich an den Reibflächen 15, 17 und 14, 16 ein Kräf­ tegleichgewicht ohne den Einfluß der Stellkraft einstellt.

Die erfindungsgemäße Reibkupplung weist relativ wenige in der Praxis bewährte verschleißfeste Teile auf. Die Stellkräfte lassen sich durch Verwendung von Tellerfedern mit unter­ schiedlichen Federkennlinien dem jeweiligen Anwendungszweck anpassen, wobei über die Stellmuttern eine Feineinstellung der übertragbaren Stellkräfte möglich ist. Die Kupplung ist relativ klein und läßt sich damit gut an ihrem jeweiligen Einsatzort unterbringen. Sie ist über die beiden zusammenwir­ kenden Gehäuseteile nach außen hin geschützt und bildet daher ein sehr robustes Bauelement. Von Vorteil ist ferner, daß betriebsbedingte von außen axial auf den Gewindetrieb und die nachgeordneten Getriebeelemente einwirkende stoßartige Kräfte weitgehend durch die in die Kupplung eingesetzten Federn abgefangen und damit vom eigentlichen Getriebe abgehalten werden. Dies ist besonders wichtig, wenn solche Kupplungen in Antrieben eingesetzt werden, die rauhen Umweltbedingungen genügen müssen. Ein solcher Fall ist z. B. ihr Einsatz in Weichenantrieben.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf ihre Anwendung bei Kugelgewindetrieben; sie ist mit Vorteil anwendbar bei jeder Art von Spindeltrieb, der keine Selbsthemmung hat.

Gleichfalls ist sie nicht beschränkt auf Antriebe zum Umfor­ men einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung; sie ist vielmehr auch anwendbar bei Antrieben, die eine geradlinige Bewegung in eine Drehbewegung umsetzen.

Das geradlinig zu stellende bzw. geradlinig antreibende Element muß nicht direkt mit einem der Kupplungsgehäuseteile verbunden sein; es kann auch z. B. über eine Schwinge oder ein Gelenk so mit diesem verbunden sein, daß sich das betref­ fende Kupplungsgehäuseteil selbst nicht gegenüber der Gewin­ despindel drehen kann.

Claims (11)

1. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung für einen Gewindetrieb mit einer Spindel und einer Spindelmutter zum Umsetzen einer Drehbewegung in eine geradlinige Bewegung oder umgekehrt, dadurch gekennzeichnet,
daß von beiden Seiten her je ein auf die Gewindespindel (1) aufgesteckter Hohlkörper (4, 5) vorgesehen ist, der drehsteif in oder auf dem jeweils anderen Hohlkörper in axialer Rich­ tung der Gewindespindel verschiebbar gelagert ist,
dessen eines Ende jeweils über die Spindelmutter (2) faßt und einen zur Gewindespindel hin vorstehenden ersten Anschlag (14, 15) aufweist, der an einer Reibfläche (16, 17) eines auf der Spindelmutter (2) längsbeweglich und drehsteif gelagerten Mantelkörpers (3) anliegt
und dessen anderes Ende verschlossen ist und die Anlage für mindestens eine in das Hohlkörperinnere einbringbare Druckfe­ der (21, 22) bildet,
daß sich diese Feder über ein auf der Gewindespindel geführ­ tes Drucklager (25, 26) unter Federspannung an einer Stirn­ seite der Spindelmutter (2) abstützt,
daß das jeweils über die Spindelmutter fassende Ende des Hohlkörpers (4, 5) einen zur Spindel vorstehenden weiteren Anschlag (33, 34) aufweist, der mit Spiel hinter das Druckla­ ger (25, 26) oder ein anderes zusammen mit diesem an der Spindelmutter anliegendes Teil faßt, das zusammen mit dem Drucklager an der Spindelmutter anliegt,
und daß einer der beiden Hohlkörper mindestens mittelbar mit dem angetriebenen bzw. antreibenden Element drehsteif verbun­ den ist.

2. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem weiteren Anschlag (33, 34) und dem Drucklager (25, 26) oder dem mit diesem an der Spindel­ mutter (2) anliegenden Teil so gewählt ist, daß er einen Teil des Federweges entspricht, um den die mindestens eine Feder (21, 22) bei Stellkraftüberschreitung zusammenzupressen ist, bevor die Kupplung auslösen soll.

3. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Feder (21 oder 22) in nur einen der Hohlkörper (4 oder 5) eingebracht ist.

4. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in beide Hohlkörper (4, 5) mindestens je eine Feder (21, 22) eingebracht ist.

5. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (21, 22) aus einer oder aus einer Kombination von mindestens zwei Tellerfedern besteht.

6. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohl­ körper (4, 5) als Hohlzylinder und die Anschläge (14, 15, 33, 34) als nach innen unterschiedlich hoch vorstehende umlau­ fende Kragen ausgebildet sind.

7. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlzylinder an ihren den Anschlägen abgewandten Enden je ein Innengewinde für die Aufnahme einer die Gewinde­ spindel umschließenden Stellmutter (35, 18) aufweisen, über die die Hohlzylinder verschließbar sind und über die die Vorspannung der Federn (21, 22) einstellbar ist.

8. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Innenseite der Stellmutter (35, 18) sowie auf der Außenseite eines zwischen Feder (21, 22) und Drucklager (24, 25) aufgesetzten Führungsringes (23, 24) je ein rotationssym­ metrischer achsparalleler Vorsprung (29, 30, 31, 32), zum Abstützen der Feder vorgesehen ist.

9. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach Anspruch 3 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die achsparallelen Vorsprünge (29, 30; 31, 32) so dimen­ sioniert sind, daß sie bei in Mittelstellung auf der Spindel­ mutter (2) befindlichem Mantelkörper (3) einen nur geringen Abstand in der Größenordnung von 1 mm aufweisen.

10. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach einem der Ansprü­ che 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlzylinder (4, 5) gleichen Durchmesser besitzen und an ihren Mantelflächen mindestens je einen Längsschnitt (6, 7; 8, 9) aufweisen, dessen Bereich geringfügig größer ist als die Breite einer durch entsprechende Längsschlitze gebildeten Steges (12, 13; 10, 11) der Mantelfläche des anderen Hohlzy­ linders und daß die beiden Hohlzylinder mit ihren geschlitz­ ten Mantelflächen axial fluchtend von beiden Seiten die Spindelmutter (2) umgreifen, wobei sie mit ihren Stegen jeweils in die Längsschlitze des anderen Hohlzylinders fas­ sen.

11. Axialkraftgesteuerte Reibkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelkörper (3) als auf einer zylindrisch geformten Spindelmutter (2) axial verschiebbarer Hohlzylinder ausge­ führt ist mit einer Längsnut zur Aufnahme eines in einer Längsnut der Spindelmutter geführten oder von ihr vorstehen­ den Führungselementes.