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Die Erfindung bezieht sich auf eine drehmomentbegrenzende
Drehkupplung, die in dem ersten Teil des Patentanspruchs
festgelegt ist.
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Im mechanischen Bereich ist bekannt dass Drehkupplungen
sei es für die einfache Übertragung von Drehmomenten
zwischen Maschinenwellen oder Anlagen die auch zur
Begrenzung des maximalen Wertes des von ihnen übertragenen
Drehmomentes verwendet werden.
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Dieser Kupplungstyp, normalerweise bekannt als
Drehmomentbegrenzer, zum Beispiel bekannt aus US-A-2866325,
besteht aus einem Paar von koaxialen Naben welche an den
zu kuppelnden Wellen befestigt werden können, und
bedürfen der Anordnung von trennbaren Verbindungselementen
zwischen diesen Naben.
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Bei einer Verwirklichungsform einer
drehmomentbegrenzenden Kupplung erfolgt die Verbindung durch Drehkörper und
deren entsprechenden Sitzen, die in sich
gegenüberliegende Querflächen der Naben eingearbeitet sind. Die
Drehkörper, die normalerweise aus Kugeln oder Rollen bestehen,
liegen fest in entsprechenden Sitzen, die in die
jeweilige Nabe eingearbeitet sind.
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Die Naben sind ebenfalls der Wirkung von elastischen
Mitteln unterzogen, die durch Justierung eingestellt werden
können, und die sie dicht an den sich auf eine Nabe
beziehenden Drehkörpern halten, welche in den entsprechen
den und in die andere Nabe eingearbeiteten Sitzen liegen.
Wenn die Drehkörper alle in ihren entsprechenden Sitzen
angeordnet sind, erfolgt eine Kupplung durch frontale
Klauen, bei welcher die Umdrehung der mit der Motorwelle
verbundenen Nabe eine entsprechende Umdrehung der anderen
Nabe bewirkt.
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Sobald das durch die Motornabe erzeugte Drehmoment über
die Einstellreaktion der elastischen Mittel hinausgeht,
beginnt sich die Motornabe gegenüber der angetriebenen
Nabe zu drehen, und die Drehkörper verlassen daraufhin
ihre entsprechenden Sitze.
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Hiernach nimmt der Wert des Dremomentes ab, und sobald
alle Drehkörper gleichzeitig in eine Position gegenüber
eines Sitzes gelangen, ist die Reaktion der elastischen
Mittel ausreichend, um beide Naben einander zu nähern, so
dass die Drehkörper wieder in ihre Sitze hineingleiten
und das gegenseitige Ineinandergreifen der Naben
bewirken, wie bei einer frontalen Klauenkupplung.
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Trotzdem ist es in bestimmten Fällen notwendig, dass die
Drehkörper und die Sitze sich für einen einzelnen Wert
der gegenseitigen Umdrehung zwischen den beiden Naben als
einander zugewandt erweisen; mit anderen Worten, ein
einzelner Sitz soll einem jeden Drehkörper entsprechen.
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Dies wird erreicht durch die Verwendung einer
angemessenen
Zahl von Drehkörpern und durch Positionierung
derselben entlang einem Kreisumfang, so dass der
obengenannte Zustand erreicht wird.
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Eine andere Anforderung, denen diese
drehmomentbegrenzenden Kupplungen entsprechenden sollen, ist die, dass
die beiden Naben ständig koaxial gehalten werden müssen,
unabhängig von der gegenseitigen Umdrehung um die
gemeinsame Achse.
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Damit ist gemeint, dass für jeden Winkelwert der
gegenseitigen Umdrehung zwischen den Naben wenigstens drei
Drehkörper vorhanden sein müssen, die nicht den Sitzen
zugewandt sind.
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Eine weitere Anforderung für den korrekten Betrieb der
drehmomentbegrenzenden Kupplung ist die, dass sich diese
drei Punkte niemals auf der gleichen Seite eines
Durchmessers befinden, und dass die Winkel in der Mitte,
eingeschaltet durch zwei der aneinandergrenzenden Winkel, so
klein wie möglich gehalten werden, so dass die
Auflagepunkte, zum Beispiel die nicht den Sitzen zugewandten
Drehkörper, einen so gleichmässig wie möglichen Abstand
voneinander haben.
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Trotzdem kann beim augenblicklichen Stand der Technik all
diesen Anforderungen nur unter teilweiser Ausschliessung
der letzten Eigenschaft entsprochen werden.
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Bei den drehmomentbegrenzenden Kupplungen sind die
Drehkörper, und damit auch deren entsprechende Sitze, in der
Tat so angeordnet, dass der maximale, durch zwei
aneinandergrenzende Drehkörper eingeschaltete Winkel als
Mindestwert etwa 165º erreicht, wie zum Beispiel aus
DE-A-2853803 hervorgeht.
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Dies bedeutet schlimmstenfalls, dass sich zwei
aneinandergrenzende Auflagen fast auf dem gleichen Durchmesser
befinden; die auftretenden Krafte, das heisst die
Reaktionskräfte der elastischen Mittel, sind jedoch solche,
dass die Kupplung selbst die notwendige Stabilität
verliert, und zwar mit dem Verlust der Koaxialität zwischen
den Naben.
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Zweck der vorliegenden Erfindung ist der, eine Kupplung
des vorgenannten Typs vorzusehen, bei welcher es ebenso
möglich ist, die letztgenannte Anforderung zu erfüllen
und die Stabilität der Kupplung erheblich zu verbessern,
und zwar unabhängig von der gegenseitigen Umdrehung der
beiden Naben um die gemeinsame Achse. Die Erfindung löst
das Problem durch die Verwendung einer Kupplung wie sie
in Patentanspruch 1 beschrieben ist.
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Die Vorteile dieser Erfindung gehen deutlicher aus der
nachstehenden detaillierten Beschreibung ihrer
Auslegungsform hervor, die rein als Beispiel und nicht
begrenzend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
gemacht ist, von denen
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- Abb. 1 eine perspektivische Frontalansicht der
beiden, nicht miteinander verbundenen Naben zeigt
welche die Drehkupplung nach der vorliegenden
Erfindung bilden.
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- Abb. 2 und 3 zeigen eine Frontalansicht mit einigen
Teilen entfernt, um andere besser hervorzuheben,
einer Kupplung wie in Abbildung 1 in ihrer
Eingriffsposition wie auch in ihrem gelösten Zustand.
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- Abb. 4 zeigt eine perspektivische Frontalansicht von
einer Konstruktionsvariante der Auslegungsform wie
in Abbildung 1 in Übereinstimmung mit einer weiteren
Eigenschaft der vorliegenden Erfindung.
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- Abb. 5 zeigt eine radiale Ansicht eines Details aus
Abbildung 4 mit einigen Teilen entfernt, um andere
besser hervorzuheben.
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Unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besteht
die Drehkupplung nach der vorliegenden Erfindung, die in
der Lage ist, eine Drehmomentbegrenzung vorzunehmen, aus
einem Paar von Naben 1 und 2, die koaxial angeordnet und
an den Enden von zwei zu kuppelnden mechanischen
Elementen befestigt werden können, zum Beispiel zwei Motor- und
Abtriebswellen, die hier nicht gezeigt sind.
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In die sich gegenüberliegenden Flächen der Naben 1 und 2
sind entlang radialer Richtungen Sitze eingearbeitet, von
denen jene sich auf die an der Abtriebswelle befestigten
Nabe 2 beziehenden mit 4 bezeichnet und ausgelegt sind,
um Drehkörper 3, zum Beispiel Rollen, aufzunehmen, wie in
Abbildung 1 gezeigt wird.
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Die in die Nabe 1 eingearbeiteten Sitze, zum Beispiel in
die an der Motorwelle befestigten, haben eine solche Form
und Abmessung, dass die Rollen 3 durch einfaches axiales
Bewegen derselben entlang der radialen Richtung des
Verlaufs der entsprechenden Sitze in diese eingefügt werden.
Dadurch wird verhindert, dass die Rollen 3 aus den
entsprechenden Sitzen herausgleiten, wenn die Nabe 1 mit
dieser Fläche nach unten gewandt positioniert wird. Ein
Ring 7 ist auf die Nabe 1 aufgeschraubt, um jedes axiale
Abgleiten der Rollen 3 aus den entsprechenden Sitzen in
der Nabe 1 zu verhindern, wobei es diesen jedoch erlaubt
ist, sich frei um ihre eigenen Achsen zu drehen.
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Die Sitze 4 der Nabe 2 sind entsprechend in einen
Ringvorsprung 8 derselben eingearbeitet, welcher als Laufbahn
für die Rollen 4 dient, wenn sich die Kupplung in ihrem
gelösten Zustand befindet. Während der gegenseitigen
Umdrehung der Naben 1 und 2, die dem Lösen derselben
voneinander folgt, bilden die Rollen 3, die nicht den Sitzen
4 zugewandt sind, frontale Auflagen für die Nabe 1 an dem
Ringvorsprung 8 der Nabe 2.
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Im Gegenteil zu der Nabe 1, haben die Sitze 4 geneigte
Seitenwände, so dass ein leichteres und allmählicheres
Eingreifen und Lösen der Rollen 3 in diese erfolgt.
Die Rollen 3 und die Sitze 4 sind so positioniert, dass
die Rollen 3 gleichzeitig in die Sitze 4 hineingleiten
können, und zwar für einen einzelnen Wert der
gegenseitigen
Umdrehung der beiden Naben 1 und 2, das heisst die
Naben 1 und 2 eine gegenseitige Umdrehung um einen
Vollwinkel ausführen, bevor alle Rollen 3 gleichzeitig in die
entsprechenden Sitze 4 eingreifen.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist die
Kupplung mit sechs Rollen 3 und einer gleichen Anzahl von
Sitzen 4 ausgestattet.
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Die in der Mitte durch ein jedes Paar von Rollen 3 oder
von den aufeinanderfolgenden Sitzen 4 gebildeten Winkel
sind voneinander verschieden.
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Eine weitere grundlegende Eigenschaft der Kupplung nach
der vorliegenden Erfindung ist die Tatsache, dass jeder
in der Mitte durch ein Paar von Rollen 3 oder durch die
aufeinanderfolgenden Sitze 4 gebildete Winkel nicht
geringer ist als der Winkel in der Mitte, der unmittelbar
kleiner ist plus dem Winkel in der Mitte, der durch jede
Rolle 3 oder durch jeden Sitz 4 gebildet wird.
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Ausserdem ist der grösste Winkel in der Mitte, der durch
ein Paar von Rollen 3 oder durch die aufeinanderfolgenden
Sitze 4 gebildet wird, verschieden von jedem Winkel in
der Mitte, summiert mit dem unmittelbar kleineren Winkel
und abgezogen von dem Winkel in der Mitte, der durch jede
Rolle 3 oder durch jeden Sitz 4 gebildet wird.
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Werden nun a1, a2, a3, a4, a5 und a6 verwendet, um den
Winkel in der Mitte zu bezeichnen, der durch jedes Paar
von Rollen 3 oder durch die aufeinanderfolgenden Sitze 4
gebildet wird, und auf ähnliche Weise 6, um den Winkel in
der Mitte zu bezeichnen, der durch jede Rolle 3 oder
jeden Sitz 4 gebildet wird (s. Abb. 3), so müssen in
Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung diese
Winkel in der Mitte folgenden Bedingungen entsprechen
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a1 + a2 + a3 + a4 + a5 + a6 = 360º
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a1 > a2 + δ
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a2 > a3 + δ
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a3 > a4 + δ
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a4 > a5 + δ
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a5 > a6 + δ
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a1 /= a1 + a2 - δ
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a1 /= a2 + a3 - δ
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a1 /= a3 + a4 - δ
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a1 /= a4 + a5 - δ
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a1 /= a5 + a6 -
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Bei der in den beiliegenden Abbildungen gezeigten
Verwirklichungsform wurden folgende Werte verwendet:
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a1 = 105º
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a2 = 94º
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a3 = 69º
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a4 = 48º
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a5 = 29º
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a6 = 15º
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Bei einer auf solche Weise ausgelegten Kupplung ist es im
gelösten Zustand zwischen den Naben 1 und 2 stets
möglich,
wenigstens drei Rollen 3 zu haben, die nicht den
Sitzen 4 zugewandt sind, zum Beispiel ist es immer
möglich, wenigstens drei Auflagen für die Nabe 1 zu
erhalten, und in dem gelösten Zustand, der in Bezug auf die
Stabilität der gesamten Kupplung am unsichersten ist,
wird zwischen den Rollen 3 und den aufeinanderfolgenden
Sitzen 4, die den Rollen nicht zugewandt sind, ein
maximaler Winkel von etwa 142º erhalten (s. Abb. 3). Dieser
Wert ist ziemlich nahe an 120º, einem Wert, welcher mit
dreh nicht den Sitzen 4 zugewandten Rollen 3 die
bestmögliche Stabilität zwischen den Naben 1 und 2 bewirkt.
Wie in der Abbildung 3 sichtbar ist, ist der Winkel von
142º grösser als der von zwei aufeinanderfolgenden Rollen
3 beschriebene Winkel, jedoch ist dies auf die Tatsache
zurückzuführen, dass die Rolle 3, die zwischen den diesen
Winkel bildenden Rollen 3 positioniert ist, einem Sitz 4
zugewandt ist und daher keine frontale Auflage für die
Nabe 1 bilden kann.
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Es wird daher klar, dass dieser "schlimmstmögliche'
Zustand der Stabilität entschieden besser ist als der mit
dem augenblicklichen Stand der Technik ereichbare.
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Wie den Abbildungen 4 und 5 entnommen werden kann, sind
die Sitze 4 aus zwei Seitenwänden 4m, 4v gebildet, beide
geneigt um ein "V" zu bilden, und bei der gezeigten
Verwirklichungsform sind die Wände 4m, 4v im Verhältnis
zu der Laufbahn der Rollen 3, die durch den
Ringvorsprung
8 beschrieben wird, verschieden geneigt. Mit
anderen Worten, wie deutlich in der Abbildung 5 gesehen
werden kann, zeigt die Wand 4m eines jeden Sitzes 4,
stromaufwärts im Verhältnis zu der Drehrichtung der Naben
1 und 2, eine grössere Neigung als die der anderen Wand
4v, so dass das für die Rollen 3 notwendige Drehmoment,
um die am stärksten Wände 4m zu überwinden, entschieden
grösser ist als das für die weniger geneigten Wände 4v
notwendige. Die Form der Sitze 4 erlaubt somit eine
vorgezogene Drehrichtung zwischen den Naben 1 und 2, so dass
ein einwandfreier Betrieb erfolgt. Spezifischer
ausgedrückt erlaubt sie, dass eine entsprechende Umdrehung
zwischen den Naben 1 und 2 erreicht werden kann, bei der,
wie bei der Planung vorgesehen wurde, eine Zunahme des
Widerstandsmomentes an der angetriebenen Nabe 2 erfolgt
und zwar ohne den Nachteil der relativen Umdrehungen
aufgrund der Ümdrehungsträgheit der kinematisch mit der
angetriebenen Nabe 2 verbundenen Elemente, eine Trägheit,
die zum Beispiel aktiviert wird, wenn die Ümdrehung der
Motornabe 1 durch einen ungleichmässigen Betrieb des
Motors unterbrochen wird, was typisch bei bestimmten
Arbeitsabläufen von Werkzeugmaschinen ist. Wenn
tatsächlich die Sitze 4 nicht in dieser Form ausgebildet wären,
würde die relative Ümdrehung zwischen der Motornabe 1 und
der angetriebenen Nabe 2 sehr leicht jedesmal dann auf
treten, wenn die Motornabe 1 verlangsamt oder anhält.
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Wenn die Wände 4m und 4v der Sitze 4 eine gleichartige
Neigung hätten, würde die Trägheit der angetriebenen Nabe
2 dazu neigen, ein grösseres Drehmoment zu erzeugen als
die Sicherheitsgrenze der Kupplung ist, und sie würde
eine relative Ümdrehung zwischen den Naben 1 und 2
bewirken, die unverträglich mit dem einwandfreien Betrieb
der Werkzeugmaschine in diesem Arbeitsablauf wäre.
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In der Abbildung 5 wird ein extremer Fall gezeigt, in
welchem die vor einem jeden Sitz 4 angeordnete Wand 4m
fast lotrecht zu der Laufbahn der Rollen 3 steht, die
durch den Ringvorsprung 8 gebildet wird. Mit F ist die
Drehrichtung bezeichnet, die durch die Motornabe 1
gegeben ist. Während des normalen Betriebes überträgt die mit
Rollen 3 ausgestattete Nabe 1 auf die Sitze 4 aufweisende
angetriebene Nabe 1 eine Umdrehung in der gleichen
Richtung F. Sollte nun die Motornabe 1 deutliche
Verlangsamungen erkennen lassen, so wirken die Rollen 3 auf die
Wnde 4m stromaufwärts zu den entsprechenden Sitzen 4,
wodurch ebenfalls die angetriebene Nabe 2 verlangsamt
wird. Sollte das auf die angetriebene Nabe 2 übertragene
Widerstandsmoment den Mindestwert des durch die
betreffende Kupplung übertragbaren Drehmomentes überschreiten
erlaubt die geringere Neigung der Wände 4v stromanwärts
der Motornabe 1, ihre eigene Umdrehung in Richtung F wei
terzuführen, wobei sie sich von der angetriebenen Nabe 2
löst.
Natürlich könnte die Neigung der beiden Wände 4m und 4v
eines jeden Sitzes 4 auch verschiedene Werte annehmen, je
nach dem speziellen Anwendungsbereich der betreffenden
Kupplung.