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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und auf
eine Vorrichtung zum Kuppeln von rotierenden Wellen miteinander
und auf Verfahren zur Herstellung von Kupplungselementen zum
Kuppeln von rotierenden Wellen miteinander.
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Bei einer Klasse von Kupplungstechniken für rotierende Wellen
ist mindestens ein integriert ausgebildetes Kupplungselement
durch eine Gruppe von über den Umfang beabstandeten
Befestigungselementen mit einer ersten Welle und durch eine zweite
Gruppe von über den Umfang beabstandeten Befestigungselementen
mit einer zweiten Welle verbunden. In dieser Klasse von
Kupplungselementen gibt es keine sich bewegenden Teile, außer zum
Biegen des Kupplungselementes während der Drehung.
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Während der Drehung dieser Klasse von Kupplungselementen
übertragen die Befestigungselemente der Antriebswelle über das
Kupplungselement die Kraft auf die Befestigungselemente der
angetriebenen Welle, so daß die Antriebswelle die Kraft auf das
Kupplungselement überträgt, das wiederum die Kraft auf die
Befestigungselemente der angetriebenen Welle und somit auf die
angetriebene Welle überträgt. Das Kupplungselement weist eine gerade
Anzahl von Bohrungen auf und die Bohrungen können Buchsen
aufweisen, um die Befestigungselemente für die Antriebswelle und
die angetriebene Welle aufzunehmen, so daß ein
Befestigungselement der Antriebswelle ein Befestigungselement daneben für die
angetriebene Welle über das Kupplungselement mitzieht.
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Bei einem bekannten Typ einer Kupplungstechnik dieser Klasse von
Kupplungstechniken sind die Kupplungselemente Metallscheiben,
die ausreichend dünn sind, um sich zu biegen oder um zu federn,
um somit einen Versatz der Antriebswelle und der angetriebenen
Welle ohne eine beabsichtigte Relativbewegung zwischen den
Metallscheiben und ohne Rollen oder Gleiten von Teilen
aufzunehmen. Dieser bekannte Kupplungstyp verwendet in einigen
Ausführungen eine Anzahl von dünnen Metallscheiben. Weil die Scheiben
dünn sind, können sie sich federnd biegen und weil eine Anzahl
der Scheiben übereinander gestapelt ist, können sie größere
Belastungen aufnehmen.
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Dieser bekannte Typ der Kupplungstechnik hat mehrere Nachteile,
wie: (1) wenn eine einzelne dicke Metallscheibe verwendet wird,
ist sie nicht ausreichend biegsam und kann keinen größeren
Versatz aufnehmen, ohne Kräfte auf die Welle und auf die Lager der
angetriebenen Welle zu übertragen, die einen übermäßigen
Verschleiß verursachen; (2) wenn eine Anzahl von dünnen Scheiben
verwendet wird, um eine größere Biegsamkeit zu sichern, ist eine
geringe Bewegung zwischen den Scheiben vorhanden und die
Bewegung verursacht Verschleiß; (3) die Kupplung korrodiert; und (4)
solche Kupplungen sind typischerweise auf etwa 1/4 Grad Versatz
begrenzt, wenn sie eine normale Lebensdauer erreichen sollen und
auf 1/2 Grad Versatz, wobei sie fast sofort ausfallen.
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Andere Typen von bekannten Verbundkupplungstechniken verwenden
elastomere Verbund-Kupplungselemente. Solche Kupplungen sind
z.B. aus der GB-Patentbeschreibung 321,999 bekannt. Sie haben
den Nachteil, daß sie keine großen Belastungen ohne Erhitzung
oder Bruch infolge Zugbelastung aufnehmen können.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine neue Verbundkupplung für
das Kuppeln von rotierenden Wellen zur Verfügung zu stellen, die
einen weiten Versatzbereich gestattet und dabei noch eine hohe
Leistung und ein hohes Drehmoment liefert.
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Um diese Aufgabe zu lösen umfaßt ein Kupplungselement: eine
Anzahl von ersten Buchsen, eine Anzahl von ersten
Befestigungselementen
zum Befestigen der Anzahl der ersten Buchsen an
einer Antriebswelle, ein Anzahl von zweiten Buchsen und zweiten
Befestigungselementen zum Befestigen der Anzahl von zweiten
Buchsen an einer angetriebenen Welle. Die ersten Buchsen sind im
wesentlichen auf einem Kreis am Verbund-Kupplungselement
beabstandet und die zweiten Buchsen sind im wesentlichen auf einem
Kreis am Verbund-Kupplungselement beabstandet. Die Buchsen sind
durch Segmente eines Verbundmaterials verbunden, das Stränge
aufweist, wobei die ersten Befestigungselemente über die Stränge
in dem Verbund-Kupplungselement die Kraft auf die zweiten
Befestigungselemente übertragen.
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Das Verbund-Kupplungsselement ist dadurch gekennzeichnet, daß
die Stränge in einem Harz eingebettet sind und abgeflachte
Bänder mit Durchmessern kleiner als 5,1 mm (Millimeter) bilden,
jedoch zwischen 10 und 75% des Segmentvolumens ausfüllen, das
sich zwischen den ersten und den zweiten Befestigungselementen
erstreckt. Die Bänder weisen eine Dicke zwischen 1 und 10 % des
Durchmessers des Verbund-Kupplungselementes und nicht mehr als
20 % der Querschnittsfläche des Segmente auf.
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Vorzugsweise sind die Stränge in einer Schleife zwischen
benachbarten Befestigungselementen gewunden, die ein solches Muster
aufweist, das die Stränge nahe dem Mittelpunkt einer Ortes
zwischen benachbarten Befestigungselementen kreuzen und sie in
entgegengesetzten Richtungen um die benachbarten
Befestigungselemente geschlungen sind.
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Aus den vorherigen Ausführungen ist ersichtlich, daß die
flexible Verbundkupplung gemäß der vorliegenden Erfindung mehrere
Vorteile besitzt, wie: (1) sie ist über lange Zeiträume in
Betrieb, wobei Winkelversatz zwischen der Antriebswelle und der
angetriebenen Welle zwischen 0 Grad und 6 Grad vorhanden ist und
wobei axialer Versatz vorhanden ist, der größenabhängige
Verlagerungen aus der Normallage der Teile hervorruft, die denen
äquivalent sind, die durch Winkelversatz zwischen 0 Grad und 6
Grad hervorgerufen werden; (2) sie überträgt einen weiten
Bereich des Drehmomentes bei den in der Praxis üblichen Größen,
die von einem Bruchteil eines Watts bis zu Hunderttausenden von
Kilowatt reichen, skalierbar von einem Ende des Bereiches bis
zum anderen; (3) sie enthält keine gleitenden, rollenden oder
rutschenden Teile, die einem Verschleiß unterliegen; (4) sie
erfordert keine Schmierung; (5) sie erzeugt geringe unerwünschte
Belastungen auf die Welle und Lager der Antriebswelle und der
angetriebenen Welle; (6) sie zeigt eine hohe
Korrosionsbeständigkeit; (7) sie gewährleistet einen hohen Widerstand gegen
Ausfall durch Ermüdung; (8) sie ist billig und ist in Größen
auszuführen, die für einen weiten Anwendungsbereich praktisch
sind; und (9) sie ist gegenüber chemischer Korrosion beständig
und besitzt eine lange Lebensdauer.
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Die vorher genannten und andere Merkmale der Erfindung können
besser aus der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verstanden werden.
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Die Zeichnungen zeigen in
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Fig. 1 eine teilweise gebrochene und teilweise geschnittene
Seitenansicht einer Ausführung von Antriebselementen, Wellen,
Kupplungselementen und angetriebenen Elementen gemäß einer
Ausführung der Erfindung;
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Fig. 2 eine Draufsicht auf ein Kupplungselement, verwendbar in
der Ausführung von Fig. 2;
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Fig. 3 eine vergrößerte Teilansicht eines Teils des
Kupplungselementes von Fig. 2;
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Fig. 4 eine, teilweise geschnittene, Seitenansicht des
Kupplungselementes von Fig. 2;
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Fig. 5 ein Blockdiagramm, das die Herstellung und die Verwendung
des Kupplungselementes gemäß einer Ausführung der Erfindung
darstellt;
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Fig. 6 ein Blockdiagramm, das einen Teilprozeß des
Blockdiagramms von Fig. 5 darstellt;
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Fig. 7 ein Blockdiagramm, das einen anderen Teilprozeß des
Blockdiagramms von Fig. 5 darstellt;
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Fig. 8 ein Blockdiagramm, das noch einen anderen Teilprozeß des
Blockdiagramms von Fig. 5 darstellt; und
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Fig. 9 ein Blockdiagramm, das noch einen anderen Teilprozeß des
Blockdiagramms von Fig. 5 darstellt.
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In Fig. 1 ist eine Maschine 10 mit einem Motor 12, einer
Übertragungsbaugruppe 14 und einer angetriebenen Vorrichtung 16
gezeigt. Die Maschine 10 kann eine Maschine beliebigen Typs sein
und der Motor 12 kann jede Antriebsvorrichtung sein, die die
Übertragungsbaugruppe 14 dreht, um Rotationskräfte oder ein
Drehmoment auf eine angetriebene Vorrichtung 16 zu übertragen.
Die angetriebene Vorrichtung 16 kann ebenfalls eine Vorrichtung
beliebigen Typs sein. Außer, daß sie mit der
Übertragungseinrichtung 14 zusammenwirken, sind Motor 12 und angetriebene
Vorrichtung 16 kein Bestandteil der Erfindung.
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Allgemein ist es die Funktion der Übertragungsbaugruppe 14,
Rotationskraft von einem Motor 12 auf eine angetriebene Einheit
zu übertragen. Die Übertragungsbaugruppe 14 kann Elemente
einschließen, die die Bewegung von einer Rotationsbewegung in eine
hin- und hergehende Bewegung oder elliptische Bewegung o.ä.
umwandeln. Sie ist jedoch dafür bestimmt, eine hochwirksame
Kupplung zum Kuppeln einer Antriebsrotationseinheit mit einer
angetriebenen Rotationseinheit zur Verfügung zu stellen.
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So ist zum Beispiel eine typische Anwendung einer solchen
Kupplungseinheit,
einen Motor mit einem Gebläse über eine lange
Welle eines Kühlturmes zu verbinden. Bei dieser Anwendung ist
der Motor normalerweise am Außendurchmesser eines Turmes
angebracht und er dreht die Welle über eine Kupplungsbaugruppe, die
entlang einem Radius des Turmes angeordnet ist. Nahe dem
Mittelpunkt des Turmes ist die Welle durch eine andere
Kupplungseinrichtung und ein Winkelgetriebe mit einem Gebläse verbunden, um
Kühlluft quer über Wasser zu drücken, das im Kühlturm vorhanden
ist. Bei einer solchen Ausrüstung kann ein Elektromotor eine
Welle mit einer Länge von 1,2 m oder 6 m (Meter) mit Drehzahlen
von etwa 1800 U/min (Umdrehungen pro Minute) drehen. Diese
Rotationskraft beansprucht die Wellen, die Kupplungseinheiten und
die Lager des Motors, insbesondere wenn die Kupplungsbauteile
nicht genau ausgerichtet sind oder etwas außermittig sind.
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Die Übertragungseinheit 14 schließt eine Motorabtriebswelle 18,
eine erste Kupplungsbaugruppe 20, eine Welle 22, eine zweite
Kupplungsbaugruppe 20A und eine Eintrittswelle 24 für die
angetriebene Vorrichtung 16 ein. Die drei Wellen 18, 22 und 24 sind
gebrochen dargestellt und können von jedem konventionellem Typ
sein. Bei einigen Anwendungen kann die Welle 22 eine
Zwischenwelle sein und sie kann eine lange, leichte Verbundwelle sein.
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Die Übertragungsbaugruppe 14 schließt somit Antriebswellen und
angetriebene Wellen ein, die durch Kupplungsbaugruppen wie z.B.
20 und 20A mit der Motorabtriebswelle 18, die die Welle 22 über
die erste Kupplungsbaugruppe 20 antreibt und die Welle 22, die
die Eintrittswelle 24 der angetriebenen Vorrichtung 16 über die
zweite Kupplungsbaugruppe 20A antreibt, verbunden sind. Bei
anderen Anwendungen können die Welle 22 und die Verbindung 20A
fehlen und die Welle 18 kann mit der Welle 24 durch die
Verbindung 20 direkt verbunden sein.
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Weil die Kupplungsbaugruppen 20 und 20A in der Konstruktion
gleich sind, wird nur eine beschrieben, die sich auf beide
Kupplungsbaugruppen bezieht. Gleiche Bauteile in den beiden
Kupplungsbaugruppen sind mit den gleichen Bezugszahlen versehen,
mit Ausnahme der zweiten Kupplungsbaugruppe 20A, die mit
Bezugszahlen mit dem Zusatzbuchstaben A bezeichnet ist. Ansonsten
können die Beschreibungen ohne Einschränkungen dazu verwendet
werden, die Bestandteile der Kupplungsbaugruppen 20 und 20A zu
beschreiben.
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Wie unter Bezugnahme auf die erste Kupplungsbaugruppe 20 gut zu
erkennen ist, schließen die Kupplungsbaugruppen 20 und 20A ein
Verbund-Kupplungselement 30, einen ersten oder Antriebsflansch
32 und einen zweiten oder angetriebenen Flansch 34 ein. Das
Verbund-Kupplungselement 30 ist körperlich zwischen dem ersten
und dem zweiten Flansch angeordnet und mit ihnen verbunden,
wobei jedoch die Verbindung jedes Flansches an unterschiedlichen
stellen erfolgt. Genauer gesagt, der erste Flansch 32 ist durch
mehrere über den Umfang beabstandete Befestigungsmittel an
mehreren Stellen am Verbund-Kupplungselement 30 befestigt und der
zweite Flansch 34 ist durch eine Anzahl von über den Umfang um
das Verbund-Kupplungselement herum beabstandeten Befestigungs
mitteln befestigt, wobei die Befestigungsmittel für jeden der
beiden unterschiedlichen Flansche körperlich zwischen den
Flanschen am Umfang des Verbund-Kupplungselementes 30 angeordnet
sind.
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Das Verbund-Kupplungselement 30 muß ausreichend biegsam sein, um
sich ohne Bruch zwischen seinen Befestigungselementen am
Antriebselement und dem angetriebenem Element zu biegen. In der
Ausführung von Fig. 1 verändern die Bolzen, die den Flansch 32
und den Flansch 34 mit dem Verbund-Kupplungselement 30
verbinden, wegen des Versatzes oder durch die Wirkung der
Rotationskraft etwas die Entfernung zwischen beiden Flanschen und das
Verbund-Kupplungselement 30 muß sich etwa biegen, um es zu
ermöglichen, daß eine Veränderung in den Abmessungen ohne
übermäßigen Dauerverschleiß vor sich geht. Es muß auch eine
ausreichende Festigkeit in beiden Richtungen aufweisen, um eine
Drehung in beiden Richtungen mit einem wesentlichen Drehmoment
zwischen dem Antriebs- und dem angetriebenem Element zu
gestatten. Wegen dieser Funktionen schließt das
Verbund-Kupplungselement
Stränge ein, die die Befestigungselemente verbinden. Die
Stränge unterliegen Zugkräften, die infolge der Wirkung des
Drehmomentes entstehen, sind jedoch in der Lage sich in Reaktion
auf Kräfte zu biegen, die versuchen, die Befestigungselemente
zueinander zu bewegen, während sie ihre Festigkeit gegenüber
Kräften beibehalten, die versuchen, die Befestigungselemente
voneinander weg zu bewegen.
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In der vorliegenden Beschreibung bedeutet das Wort "Strang" ein
längliches, biegsames Bauteil mit einer wesentlichen
Zugfestigkeit mit einem Durchmesser nicht größer als 5,1 mm, das
längliche Elemente einschließt, die durch Verdrehen, Weben oder
gemeinsames Gruppieren kleiner Fasern oder Stränge gebildet
sind, um ein einziges, kompaktes, längliches Bauteil zu bilden,
das beim Wickelprozeß individuell behandelt werden kann.
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Das Verbund-Kupplungselement 30 ist normalerweise flach und als
Scheibe ausgebildet. Es schließt Mittel zur Übertragung des
Drehmomentes zwischen den wechselnden Paaren von
Befestigungselementen auf das Antriebs- und angetriebene Element ein. Diese
Mittel für die Übertragung des Drehmomentes schließen ein: (1)
Mittel zum Verteilen der hervorgerufenen Belastungen über einen
breiteren Bereich des Bolzens; und (2) eine kontinuierliche
Strangverbindung zwischen den Belastungsverteilungsmitteln für
die benachbarten Bolzen.
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Bei dieser Anordnung trägt ein wesentlicher Abschnitt der
Stränge den größten Teil der Zugbeanspruchung, während ein kleiner
Teil der Belastung Druckkräfte gegen die verschiedenen Stränge
ausübt. Das Kupplungselement kann sich in bestimmtem Maße
biegen, ohne Schaden zu nehmen. Obwohl es biegsam ist, ist es weder
elastomer, noch unterliegt es den Ermüdungs- und
Erwärmungseigenschaften von elastomeren Materialien. Insofern kann es
normalerweise von einem leicht belasteten Zustand bis zu einem stark
belasteten Zustand nicht um mehr als 5 Prozent gedehnt werden.
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In der bevorzugten Ausführung sind die Befestigungselemente
Bolzen, wobei die Bolzen in der ersten Kupplungsbaugruppe 20,
wie z.B. 36, durch den unteren Flansch 32 gehen und die Bolzen,
wie z.B. 38, durch den oberen Flansch 34. Diese Bolzen sind über
den Umfang des Verbund-Kupplungselementes 30 beabstandet und
befinden sich an wechselnden Stellen. In gleicher Weise gehen
die gezeigten Bolzen 38A durch einen Abschnitt des biegsamen
Kupplungselementes 30A in der Schnittansicht der
Kupplungsbaugruppe 20A und der Bolzen 36A geht durch eine andere Stelle.
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Schutzringe, wie z.B. 40 und 40A für das biegsame Element können
für die Muttern und die Bolzenköpfe verwendet werden, die die
Welle 22 mit dem Motor 12 und der angetriebenen Vorrichtung 16
verbinden. Die Flanschelemente mit den Schutzringen 40 und 40A
sind genietet oder in anderer Weise durch ein beliebiges
konventionelles Mittel an der Hohlwelle 22 befestigt, um eine
widerstandsfähige Verbindung zu sichern.
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In der in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Konstruktion ist
eine Kupplungsbaugruppe vorgesehen, die: (1) an Ort und Stelle
bleiben kann und über lange Zeiträume betrieben werden kann,
selbst wenn Winkelversatz zwischen dem Antriebselement und dem
angetriebenen Element zwischen 0 und 6 Grad oder Axialversatz
zwischen der Antriebs- und der angetriebenen Welle vorhanden
ist, die größenabhängige Auslenkungen aus der normalen Lage der
Bauteile hervorrufen, die ein Äquivalent zum Winkelversatz in
der Größenordnung zwischen 0 und 6 Grad sind; (2) ein Drehmoment
übertragen kann, das von Bruchteilen eines Watts bis zu
Hunderttausenden von Kilowatt reicht, wobei sich nur der Maßstab der
Dinge für die unterschiedlichen Kilowattwerte verändert, ohne
daß das Drehmoment einen Schaden verursacht; (3) keine
rollenden, gleitenden oder rutschenden Teile aufweist, die einen
Reibungsverschleiß hervorrufen; (4) keine Schmierung erfordert; (5)
keine übermäßigen Belastungen auf die Wellen oder Lager des
Antriebes und der angetriebenen Vorrichtung überträgt; (6) einen
hohen Korrosionswiderstand aufweist; und (7) gegenüber einem
Ermüdungsausfall widerstandsfähig ist.
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In Fig. 2 ist ein Verbund-Kupplungselement 30 dargestellt, das
als Ring ausgebildet ist und das eine Anzahl von Mitteln für die
Aufnahme der Befestigungselemente 50A-50F, eine erste und eine
zweite Ausrichtkerbe 54A und 54B, kontinuierliche Stränge 56,
die die Mittel für die Aufnahme der Befestigungselemente
verbinden und ein Füllmaterial 58 aufweist, das als flacher,
scheibenförmiger Ring ausgebildet ist, um die Stränge 56 abzudecken.
Bei dieser Anordnung sichert der Ring aus dem Füllmaterial 58
eine beschädigungssichere Abdeckung über den Strängen 56 und es
ist ein relativ steifer, flacher Ring vorhanden. Über den Umfang
im Ring beabstandet sind die Befestigungsmittel 50A-50F, die die
Befestigungselemente in ihren Mittelpunkten aufnehmen, wobei die
Ringe jeweils an den anderen Ringen der angetriebenen und der
Antriebsbauteile befestigt sind. Die Kupplungsglieder der
Befestigungsmittel sind die kontinuierlichen Stränge 56, so daß die
Aufnahmemittel der Befestigungselemente, die durch das
angetriebene Element gezogen werden, die
Befestigungselement-Aufnahmemittel, die das angetriebene Element verbinden, über die Stränge
56 in einen gespannten Zustand ziehen. Somit befindet sich eine
Hälfte des Ringes unter Zugspannung und die andere Hälfte unter
einer Belastung. Das Hauptdrehmoment wird jedoch durch die
Befestigungselement-Aufnahmemittel und die Stränge aufgenommen. Der
Ring selbst ist biegsam und gestattet eine bestimmte
Durchbiegung, um Versatz ohne übermäßige Ermüdungserscheinungen
aufzunehmen.
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Um eine bequeme Ausrichtung zu ermöglichen, sind die
Ausrichtungskerben 54A und 54B vorgesehen. Sie sind nicht wichtig,
erleichtern jedoch den Zusammenbau der ersten Kupplungsbaugruppe
20 (Fig. 1). Obwohl in der bevorzugten Ausführung
Befestigungselement-Aufnahmemittel verwendet werden, die stabil sind und die
die Kraft auf die Stränge 56 verteilen, können sie auch
weggelassen werden und es können nur Befestigungselemente verwendet
werden. In diesem Falle verbinden die Stränge 56
Befestigungselement mit Befestigungselement. Darüber hinaus können, obwohl
ein flacher scheibenförmiger Ring gezeigt ist, auch andere
Formen zur Anwendung kommen, einschließlich eines Festscheibentyps
oder ein kreisringförmiger Typ oder ein Ringkammertyp oder ein
Rechteckstück. Es müssen jedoch regelmäßig beabstandete Ringe
angebracht sein, um die Stränge zwischen einem
Befestigungselement-Aufnahmemittel und einem anderen
Befestigungselement-Aufnahmemittel zu verbinden.
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Die Größe des Verbund-Kupplungselementes 30 ist
belastungsabhängig. Um die Belastungsfähigkeit zu vergrößern, werden mehr
Stränge verwendet. Gleichermaßen sollte, um eine wirksame
Verbindung zu gewährleisten, der Ring so dimensioniert werden, daß
er die angetriebene und die Antriebswelle aufnehmen kann, um
dadurch übermäßig dimensionierte Flansche zu vermeiden. Der Ring
kann kleiner sein als die Wellen, wenn ein speziell
ausgebildeter Flansch verwendet wird, um die Befestigungsmittel, die durch
die Flansche gehen, in ausreichender Weise mit den Befestigungs-
Element-Aufnahmemitteln 50A-50F zu verbinden.
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Um Befestigungselemente, wie z.B. Bolzen aufzunehmen, sind die
Mittel für die Aufnahme der Befestigungsmittel 50A und 50B
spulenförmige Buchsen, jede mit einer entsprechenden öffnung 60A-
60F, die senkrecht zur Ebene des Verbund-Kupplungselementes
durch die Buchse verläuft und mit Mittelpunkten, die so
angeordnet sind, daß sie Kräfte in Rotationsrichtung auf die anderen
Mittel übertragen, um die Befestigungselemente zu halten, mit
denen sie durch die Zugstränge 56 verbunden sind.
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In der bevorzugten Ausführung bilden die Mittelpunkte einen
Kreis. Sie können jedoch auch versetzt angeordnet sein, so daß
sie mehr als einen Kreis bilden. Es muß nur gewährleistet sein
daß die Rotationskräfte zwischen der angetriebenen und der
Antriebswelle übertragen werden. Die normalerweise kreisförmigen
Anordnungen der Mittelpunkte der Mittel für die Aufnahme der
Befestigungselemente bilden einen Kreis um einen
Rotationsmittelpunkt des Verbund-Kupplungselementes. Der Durchmesser dieses
Kreises beeinflußt die Wirksamkeit des Kupplungselementes. Ein
großer Durchmesser reduziert die Beanspruchungen, die durch die
Drehmomentübertragung und den axialen Versatz verursacht werden
und ein kleiner Durchmesser bewirkt, daß das Kupplungselement
leichter ist, bequemer auszuwuchten und leichter zu installieren
ist. Somit sind die Durchmesser dieses Kreises Kompromisse, die
eingegangen werden müssen. Sie müssen ausreichend groß sein, um
die durch die Drehmomentübertragung und den axialen Versatz
hervorgerufenen Beanspruchungen zu reduzieren, müssen jedoch
auch ausreichend klein sein, um das Gewicht zu reduzieren und
ein schnelleres Auswuchten zu ermöglichen.
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Bei der bevorzugten Ausführung ist ein einziger Kreis von
Befestigungselementen jeweils untereinander verbunden, so daß das
Kupplungselement die Richtung zur Antriebswelle verändern kann
und trotzdem noch funktioniert. Wenn jedoch die Rotation nur in
einer Richtung erfolgt, ist es für die Befestigungselemente 50A-
50F, die mit dem Antriebsflansch verbunden sind, nur
erforderlich unter Zugbeanspruchung durch kräftige Zugstrangbauteile mit
den Befestigungselementen verbunden zu sein, die mit der
Antriebswelle verbunden sind, wenn die Rotation in dieser einen
Richtung erfolgt. Das Verbinden jeder dieser Mittel für die
Aufnahme der Befestigungselemente 50A-50F mit den benachbarten
Bauteilen in einem einzigen Kreis bringt jedoch ein kompaktes,
vielseitig verwendbares Kupplungselement hervor.
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Normalerweise liegt der Druckmesser von Segment zu Segment in
der Größenordnung von 7,62 cm bis 152,4 cm (Zentimeter) und in
der bevorzugten Ausführung beträgt er 17,78 cm. Es sind zwischen
sechs und acht Mittel für die Aufnahme der Befestigungselemente
vorhanden, obwohl jede gerade Zahl verwendet werden kann.
Gleichermaßen gibt es sechs und acht Segmente, die Bündel von
Strängen zwischen den Befestigungselementen enthalten, obwohl jede
Anzahl verwendet werden kann. Je größer die Anzahl der Segmente
und der Befestigungsmittel, desto geringer ist die durch die
Drehmomentübertragung verursachte Beanspruchung. Je kleiner die
Anzahl der Segmente, desto länger kann jedes Segment für einen
vorgegebenen Durchmesser sein und das verringert die
Beanspruchung, die durch den axialen und den Winkelversatz verursacht
wird.
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Generell sollte die Anzahl und die Strangfläche der Segmente und
die Anzahl und die Größe der Befestigungsmittel ausreichend
sein, um die Spannung auf die Stränge, die durch das Drehmoment
verursacht werden innerhalb der Entwurfstoleranz und des
Sicherheitsfaktors, für die die Stränge ausgelegt sind, zu halten und
sie sollte klein genug sein, um die durch axialen und
Winkelversatz verursachten Beanspruchungen zu verringern.
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Um eine angemessene Steifigkeit für die Handhabung zu sichern,
ist ein Harz in die Stränge eingebettet. Dieses Harz kann
irgendein organisches Harz sein oder ein Elastomer, das einen
maximalen Dehnungswert aufweist, der zumindestens gleich der
Streckgrenze des Stranges ist und das geeignete Eigenschaften in
der geforderten Umgebung hat. Die maximale Dehnung wird manchmal
als Bruchdehnung bezeichnet. Das Harz oder das Elastomer muß in
der Lage sein, sich soviel zu dehnen, wie die Stränge, darf
jedoch dabei nicht in wesentlichem Maße belastet sein.
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In der bevorzugten Ausführung wird ein Epoxydharz mit einer
maximalen Dehnung von etwa 5 %, einem Elastizitäsmodul von 3,45
GN/m² (Giganewton pro Quadratmeter), einer Einfriertemperatur
über 121ºC und einem guten chemischen Widerstand verwendet.
Andere organische Gefüge, wie die folgenden, aber nicht auf
diese begrenzt, wie andere hitzehärtbare Harze wie Vinylester,
Polyester oder phenolische, thermoplastische Harze oder
elastomeres Material können ebenfalls verwendet werden.
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Um einen besseren chemischen Widerstand und ein besseres
Alterungsverhalten zu erreichen, wird in einigen Ausführungen eine
Trennbeschichtung separat außen auf das Harz aufgebracht, um den
Ring 58 zu bilden. Das sichert einen Schutz gegen
Strangbeschädigung bei der Handhabung oder durch Fremdgegenstände. In
einigen Ausführungen kann aber auch das gleiche Material wie das
Einbettungsharz verwendet und zusammen mit dem Einbettungsharz
aufgebracht werden. Bei der bevorzugten Ausführung ist die
Trennbeschichtung ein separat aufgetragenes elastomeres Harz.
Normalerweise sind die kritischen Kennwerte ein ausreichendes
Biegen mit einem dünnen Bauteil und eine maximale Dehnung über
5%. Sie muß eine maximale Dehnung aufweisen, die mindestens
gleich der Dehnung für das gleiche Drehmoment und den gleichen
Versatz wie für die Stränge vorgesehen ist.
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In Fig. 3 ist eine vergrößerte Teilansicht von zwei der Mittel
für die Aufnahme der Befestigungselemente 50C und 50D gezeigt,
miteinander verbunden durch die Stränge 56. Das Harz ist in
dieser Darstellung nicht gezeigt, um eine klarere Darstellung zu
ermöglichen. Jedes der Mittel für die Aufnahme der
Befestigungselemente oder Buchsen 50C und 50D (50A-50F in Fig. 2) ist in
dieser Darstellung gut zu erkennen.
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Da in der bevorzugten Ausführung die Buchsen alle gleich sind,
wird nur die Buchse 50C beschrieben. Sie ist normalerweise
spulenförmig ausgebildet und weist auf: (1) eine zylindrische
Öffnung 60C zur Aufnahme eines Befestigungselementes, wie z.B.
eines Bolzens; (2) normalerweise kreisförmige Seitenteile 62C;
und (3) eine Innennut 64C zwischen den kreisförmigen
Seitenteilen zur Aufnahme der Stränge 56. Ein Außenring aus Epoxydharz
66C kann sich aus der Auftragung von Epoxyd ausbilden, um die
Stränge 56 miteinander zu binden und um die Stränge in der Nut
64C zu halten.
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Die Buchse dient der Verteilung der Belastung über eine
breiteren Bereich eines Befestigungselementes, wie z.B. eines Bolzens.
Sie bildet feste Bereiche für die Bolzen für deren Lagerung und
feste Halterungsflächen für die Stränge 56. Der Durchmesser der
Buchse von ihrer Mitte 60C bis zum Boden der Nut 64C und die
Breite der Nut 64C (senkrecht zu ihrem radialen Durchmesser) und
ausgefluchtet mit ihrer Achse durch den Mittelpunkt 60C
bestimmen zusammen den Bereich, über den die Kräfte für die Stränge 56
verteilt sind.
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Eine Buchse und eine Strangnut mit einem kleinen Durchmesser ist
günstig für eine Vergrößerung der Segmentlänge und reduziert die
Beanspruchung, die durch den axialen und den Winkelversatz
verursacht
wird. Somit wird der Durchmesser so gewählt, daß er
ausreichend klein ist, um die Beanspruchungen, die durch den
axialen und den Winkelversatz verursacht werden, innerhalb der
Entwurfstoleranzen zu halten, jedoch groß genug, um die
Beanspruchungskräfte in einer Weise zu verteilen, daß sie an die
Festigkeit der Befestigungselemente angepaßt sind.
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Normalerweise sollten die Buchsen von ihrem Mittelpunkt 60C bis
zur Nut 64C ein Maß von 1/64 bis 1/4 des Kreisdurchmessers des
Befestigungselementes oder des Durchmessers zwischen den
Mittelpunkten von gegenüberliegenden Befestigungsmitteln (z.B. 60A und
60D;, Fig. 2), aufweisen. In einer Ausführung ist die Tiefe der
Nut für die Stränge 0,32 cm. Sie sollte jedoch normalerweise
zwischen 0,13 cm und 7,62 cm liegen. In einer Ausführung ist die
Buchsenlänge 2,22 cm. Sie sollte jedoch normalerweise zwischen
0,51 und 7,62 cm liegen. Die Buchse kann aus jedem festen
Material, wie z.B. Metall, Holz, hergestellt sein. Sie kann eine
Verbundkonstruktion sein und in einigen Ausführungen kann sie
ganz entfallen.
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Die Anordnung der Strangkonstruktion ist so, daß für eine
vorgegebene Drehrichtung, eine Hälfte der Kupplungssegmente im
wesentlichen das ganze Drehmoment unter Beanspruchung auf Zug,
die bevorzugte Belastungsrichtung für Fasermaterialien,
aufnimmt. Die Kupplungssegmente, die sich nicht auf dem
Primärbelastungsweg befinden, können durch Druckkräfte leicht ausgebeult
sein. Sie sind nur einem geringen Teil der Drehmomentbelastung
ausgesetzt. Wenn die Drehrichtung umgekehrt wird, kehrt sich
auch die Rolle der Segmente um, wobei die Segmente auf Zug
beansprucht werden, die vorher unter Druckbelastung standen.
Anders kann die Segmentgeometrie auch so gewählt sein, daß die
Belastung auf die zugbeanspruchten Teile und die
druckbeanpruchten Teile so sind, daß ein Ausbeulen des druckbeanspruchten
Teils nicht auftritt.
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Normalerweise schließt das Fasermaterial eine Anzahl von Bändern
ein, wie z.B. die Bänder 70 und 72, die um die Mittel für die
Aufnahme eines Befestigungselementes oder um ein
Befestigungselement selbst in einer elliptischen oder Ringkonstruktion der
Bänder geschlungen sind, so daß das Band 70 sich an der
äußersten Stelle des Verbund-Kupplungselementes 30 (Fig. 2) befindet
und das Band 72 auf der Innenseite nahe dem
Rotationsmittelpunkt. Jedes Band schließt mehrere Stränge ein.
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Ein anderes Muster, das angewendet werden kann, besteht aus
Kreuzbändern, wie die mit der Bezeichnung 74 und 76 in Fig. 3
gezeigten, die um ein Befestigungselement oder ein Mittel für
die Aufnahme eines Befestigungselementes geschlungen sind, sich
zwischen zwei Befestigungselementen kreuzen und um das andere
Befestigungselement geschlungen sind. Dieses Kreuzmuster sichert
eine Zugbeanspruchung unter einem Winkel zu den
Befestigungselementen und es ist in einigen Ausführungen günstiger, als das
durch die Bänder 70 und 72 gebildete Muster oder es kann in
Kombination mit den Bändern zur Anwendung kommen. Darüber hinaus
kann ein durch die Bänder 74 und 76 gebildetes Muster sich in
einem spitzen Winkel zur Ebene der Bänder 70 und 72 oder zur
Ebene , die für die Bänder 74 und 76 gezeigt ist, befinden, um
die Lagerfläche auf dem Befestigungselement oder auf den Mitteln
für die Aufnahme der Befestigungselemente 60C und 60D zu
vergrößern.
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Das Wickelmuster selbst ist so gestaltet, daß Bänder eines
kontinuierlichen Stranges entstehen, die nahezu mit der
Sehnentangente zur angrenzenden Buchse oder den angrenzenden
Befestigungselementen in Flucht sind und eine Dicke von etwa 10 % der
maximalen Breite über das Gesamtsegment aufweisen. Das
bevorzugte Muster besteht aus einer Gruppe von zwei geraden Bändern
von Strängen und einem Kreuzband von Strängen. Es können jedoch
auch andere Muster zur Anwendung kommen. Dieses Muster kann
mehrmals wiederholt werden, wenn es erforderlich ist, um die
erforderliche Strangquerschnittsfläche zu erhalten.
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Die gekreuzten Bänder können auch in Axialrichtung des Bolzens
oder der Mittel für die Aufnahme eines Befestigungselementes in
einer Darüber- und Darunter-Variante gekreuzt sein, um einen
Raum in einer Strangnut der Buchse voll auszufüllen, wie es bei
64C und 64D gezeigt ist.
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Die Bänder sind abgeflacht, um eine Dicke von nicht mehr als 20
% und vorzugsweise 10% der Querschnittsbreite des Segmentes
einzuhalten und um eine hinreichende Dünne zum Länge- und Breite-
Verhältnis zwecks Sicherung der Flexibilität zu erreichen.
Vorzugsweise der periphere Ring zwischen den Befestigungselementen
sollte etwa 50% und mindestens 10 bis 75% fest mit dem Strang
ausgefüllt sein. Harz kann den Rest des Ringes ausfüllen.
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Beim Endprodukt sollten die Segmente zwischen den Mitteln für
die Aufnahme der Befestigungselemente oder den
Befestigungselementen eine Dicke zwischen 1 und 10 % des Durchmessers des
Verbund-Kupplungselementes 30 (Fig. 3) diagonal von
Befestigungselement zu Befestigungselement oder von einem Mittel für die
Aufnahme eines Befestigungselementes zu einem Mittel für die
Aufnahme eines Befestigungselementes aufweisen. Der Querschnitt
zwischen den Befestigungselementen, wie z.B. der Querschnitt,
den die Bänder 70, 72, 74 und 76 einschließen, liefert zwei Maße
der Querschnittsfläche, von denen eines nur die
Querschnittsfläche des Stranges selbst ist und das andere die
Gesamtquerschnittsfläche, die sowohl die von den Strängen als auch die vom
Harz belegte Querschnittsfläche mit einschließt. Die von den
Strängen belegte Größe sollte mindestens 10 % der Gesamtfläche
und normalerweise nicht mehr als 75 % aufweisen und es sollte
sich um eine relativ dünne Dimension handeln. Normalerweise ist
das auch der Fall, da die Querschnittsfläche eines Segmentes und
die Länge des Segmentes in der vorliegenden Beschreibung
generell als die Entfernung zwischen benachbarten Mitteln für die
Aufnahme der Befestigungselemente angesehen werden, wie zum
Beispiel die Entfernung zwischen den Mittelpunkten 60C und 60D
der beiden benachbarten Befestigungselemente 50C und 50D in
Fig. 3.
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Die Stränge selbst können in vielen Arten ausgeführt sein. Sie
sind normalerweise länglich und biegsam, haben einen Durchmesser
von weniger als 0,51 cm und enthalten eine Vielzahl von
Einzelfasern. Sie können aus Materialien wie zum Beispiel Glasfaser,
Aramidfaser, Kohlenstoffaser, Linearketten-Polyäthylenfaser oder
aus solchen Fasermaterialien ausgewählt sein, die eine hohe
Zugfestigkeit in der Größenordnung von 2,07 GN/m² oder darüber
und einen Zugelastizitätsmodul von 345 GN/m² oder weniger
aufweisen. Ganz bestimmt sollte die Zugfestigkeit größer als 1,38
GN/m² sein und der Zugelastizitäsmodul kleiner als als 515 TN/m²
(Teranewton pro Quadratmeter).
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Die Segmentquerschnittsfläche sollte ausreichend groß sein, um
die durch die Drehmomentübertragung hervorgerufene Beanspruchung
zu verringern, jedoch ausreichend klein, um die Beanspruchung
auf Grund der Elementbiegung und die Belastung auf die Traglager
zu verringern. Der wesentliche Teil der Querschnittsfläche ist
der, der durch die Strangelemente ausgefüllt ist. Der
Strangelastizitäsmodul sollte ausreichend groß sein, um die Auslenkungen
in Rotationsrichtung zu verringern, die durch die
Drehmomentübertragung hervorgerufen werden, jedoch ausreichend klein, um
die Beanspruchungen zu verringern, die durch den axialen und den
Winkelversatz hervorgerufen werden. Die Bruchfestigkeit des
Stranges sollte so groß wie möglich und mit den anderen
Kennwerten des Stranges verträglich sein.
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Genauer gesagt ist die Querschnittsfläche des Stranges in einem
Segment so dimensioniert, daß eine kombinierte Beanspruchung
durch die Drehmoment- und die Versatzkomponenten von 25 bis 35
% der für die Strangmaterialien zulässigen Bruchfestigkeit
aufgenommen werden kann. Dieses Beanspruchungsniveau gestattet es,
daß die vorhergesagte Lebensdauer der Verbindung von 10
Milliarden Arbeitszyklen oder von 100000 Stunden bei Normaldrehzahlen
von 1800 Umdrehungen pro Minute erreicht wird.
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Die Breite des Segmentes ist in Abhängigkeit vom Material der
Verbindung ein praktisches Problem. Sie beträgt von 1/64 bis 1/4
des Durchmessers des Verbund-Kupplungselementes 30, z.B.
zwischen
den Mittelpunkten der Mittel für die Aufnahme der
Befestigungselemente 60D und 60C. Die Strangfläche ist normalerweise
doppelt so groß, wie das maximale Drehmoment, das zwischen der
angetriebenen und der Antriebswelle erwartet wird, geteilt
durch: (1) den Radius des Kupplungselementes (30); (2) die
maximale für einen Strang zulässige Beanspruchung; (3) einen
Sicherheitsfaktor von mindestens zwei; (4) die Anzahl der Segmente;
und (5) den Elastizitätsmodul eines Stranges. Gleichermaßen
sollte sie mindestens gleich dem doppelten maximalen Drehmomnent
sein, geteilt durch: (1) den Radius des
Verbund-Kupplungselementes (30); (2) die Anzahl der Segmente; und (3) die maximal
zulässige durch das Drehmoment verursachte Beanspruchung.
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Die Stränge müssen eine maximale Dehnung von mindestens einem
Sicherheitsfaktor zwei aufweisen, multipliziert mit der Summe
von : (1) dem Betrag der Dehnung, die erforderlich ist, den
axialen Versatz zu kompensieren, dividiert durch die Länge des
Segmentes, (2) dem Betrag der Dehnung, die durch den
Winkelversatz verursacht wird, dividiert durch die ursprüngliche Länge;
und (3) der durch die Drehmomentübertragung induzierten
Beanspruchung.
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Normalerweise sollten die einzelnen Stränge kontinuierlich sein,
im wesentlichen über eine Stranglänge von mindestens dem
Doppelten des Abstandes zwischen den Mittelpunkten, wie z.B. 60C und
60D der Mittel für die Aufnahme der Befestigungselemente 50C und
50D oder der entsprechenden Befestigungselemente selbst und sie
sollten innerhalb 30 Grad von einer Linie zwischen den
Mittelpunkten 60C und 60D oder den angrenzenden Befestigungselementen
ausgefluchtet sein. Die Bruchfestigkeit bei Zugbelastung sollte
mindestens 20,7 GN/m² und die maximale Dehnung mindestens 1 %
betragen. Sie können in jedes wärmeaushärtende, thermoplastische
oder elastomere Harz mit einer Fließgrenze von mindestens der
des Stranges eingebettet sein.
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In der bevorzugten Ausführung sind die Stränge aus einer
hochfesten Glasmasse und weisen eine nominelle Zugfestigkeit von
4,48 GN/m² und 5% maximale Dehnung auf. Fasern mit der höchsten
Schlagfestigkeit können für einige Anwendungen gefordert sein
und solche Stränge würden dann Aramid- oder Polyäthylenstränge
sein.
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Die Stränge können auch Kohlenstoffaserstränge, Aramidstränge,
Polyäthylenstränge oder andere Stränge mit einer Bruchfestigkeit
bei Zugbelastung von mindestens 2,07 GN/m² und einer maximalen
Bruchdehung von mindestens 1 % sein. Obwohl die bevorzugte
Ausführung ein Epoxydharz als Bindemittel zwischen den Strängen
verwendet, können andere wärmeaushärtende, thermoplastische oder
elastomere Harze verwendet werden, wenn ihre maximale
Bruchdehung die maximale Dehnung des Stranges überschreitet und die
Zugfestigkeit des Harzes größer als 3,45 MN/m² (Meganewton pro
Quadratmeter) ist.
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In Fig. 4 ist eine Schnittansicht des Verbund-Kupplungselementes
30 gezeigt, das innerhalb des Segmentes 56 Stränge aufweist, die
in die Nuten 64E gewunden sind, um die Segmente zu bilden, die
es dem Verbund-Kupplungselement 30 gestatten, die Stränge auf
Zug zu beanspruchen und eine ausreichende Festigkeit zu
gewährleisten.
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Die Spulen 50B-50E (50A-50F sind in Fig. 2 gezeigt) sind
normalerweise Spulen in der bevorzugten Ausführung mit einem
Durchmesser von etwa 1/8 des Durchmessers des
Verbund-Kupplungselementes 30 . Die Nuten 64B-64E sind ausreichend tief, um die
Strangwicklung über eine Höhe von etwa 3/4 der Buchsenlänge
aufzunehmen. Die Buchsenlänge ist so gewählt, daß sie
ausreichend ist, um den Zwischenraum zwischen den Montageflanschen zu
sichern, wenn ein Versatz vorhanden ist und sie beträgt
ebenfalls etwa 1/8 des Bolzenkreisdurchmessers. Der Innendurchmesser
der Buchse ist eine enge Passung zum Bolzendurchmesser, die
gewählt ist, um die Buchsenbelastungen auf die Flansche bei
einer Beanspruchungshöhe zu übertragen, die infolge guter
Konstruktionspraxis für das Bolzenmaterial zulässig ist. Diese
Beanspruchungshöhe ermöglicht es, für die bevorzugte Ausführung
die vorhergesagte Lebensdauer von 10 Milliarden Betriebszyklen
oder 100000 Stunden bei normalen Drehzahlen von 1800 U/min zu
erreichen.
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Die Dicke der Segmente beträgt zwischen 1 und 10 % ihrer Breite.
Sie ist so gewählt, um ein ausreichendes Biegen zu gestatten.
Wenn die Dicke nicht zum Drehmoment und zu den aufzunehmenden
Kilowatt paßt, können mehrere Kupplungselemente verwendet und an
den Befestigungselementen übereinander angeordnet werden, um die
Belastungen zu verteilen, aber noch ausreichend dünnn zu sein,
um ein Biegen zu ermöglichen.
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Den Segmenten des Kupplungselementes 30, die sich während eines
Teils eines Rotationszyklus unter Druckbelastung befinden, kann
es generell gestattet sein, sich zu beulen, ohne Schaden zu
verursachen. Daher kann für Anwendungen mit kleinem Drehmoment
die Verbindung dünn sein und die Glieder, die sich unter
Druckbelastung befinden, dürfen sich beulen. Wenn jedoch die
Verformung der druckbeanspruchten Glieder so ist, daß die
Beanspruchungen in den äußeren Fasern des Bündels 25 % der
Bruchfestigkeit der Fasern wesentlich überschreiten, kann das
Kupplungselement eventuell vorzeitig ausfallen.
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Um einen solchen Ausfall bei Anwendungen mit hohem Drehmoment zu
vermeiden, kann die Dicke der Glieder vergrößert werden, um zu
bewirken, daß sie einen angemessenen Anteil der Belastung ohne
Beulung aufnehmen, oder, wenn eine größere Biegsamkeit erwünscht
ist, können die Glieder relativ dünn gelassen werden und von
einer Geometrie sein, die normalerweise zu einem Beulen führt.
Das Kupplungselement kann jedoch vorgespannt werden, indem man
es auf einem Bolzenkreis anbringt, der etwas größer ist, als der
Bolzenkreis, der in der Wickelform verwendet wird. Dieses
Vorspannen wird den Druckbeanspruchungen während des Betriebes
überlagert, so daß das Glied, das normalerweise einer
Druckbelastung ausgesetzt ist, einer reduzierten Zugbelastung unterworfen
ist und daher nicht ausbeult.
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In der bevorzugten Ausführung beträgt die Strangnutlänge 1,57
cm, der Bolzendurchmesser 1,27 cm, der Strang besteht aus Glas
S2, der Zugelastizitätsmodul des Stranges ist 86,2 GN/m², die
Zugfestigkeit des Stranges beträgt 4,48 GN/m², die Fließgrenze
des Stranges ist 5%, die Querschnittsfläche des Stranges 1,05
cm², die Segmentbreite 2,54 cm, die Anzahl der geraden Bänder
zwischen den Befestigungselementen ist 12, die Anzahl der
Kreuzbänder zwischen den Befestigungselementen beläuft sich auf 6,
die kombinierte Leistung für 30 % der maximalen Beanspruchung
beträgt 904 Newtonmeter, der axiale Versatz 0,25 cm, der
Winkelversatz 3,25 Grad und etwa 150 Kilowatt bei 1800 U/min.
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Obwohl eine spezifische Konstruktion, wie sie in Verbindung mit
Fig. 4 beschrieben ist, für die Verwendung in Anwendungen
geeignet ist, bei denen etwa 150 kW bei 1800 U/min zwischen
Antriebseinrichtung und angetriebener Einrichtung übertragen
werden und bei denen die Einrichtungen einen Winkelversatz von bis
zu 2,5 Grad langzeitig oder 5 Grad kurzzeitig sowie einen
axialen Versatz von 0,25 cm bis 0,51 cm langzeitig bzw. kurzzeitig
aufweisen, kann die gleiche Erfindung so ausgelegt werden, daß
sie einen Größenbereich von einem Bruchteil eines Watts bis zu
Hunderttausenden von Kilowatts und von sehr geringen Drehzahlen
unter 1 U/min bis zur sehr hohen Drehzahlen bis 50000 U/min
aufnimmt. Sie kann auch für Einrichtungen zur Anwendung kommen,
die die Übertragung eines hohen statischen Drehmomentes
erfordern.
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In Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines Herstellungsprozesses 80
gezeigt, der normalerweise die Herstellung des
Verbund-Kupplungselementes 30 (Fig. 1 bis 4) und seine Verwendung in einer
Maschine 10 (Fig. 1) beinhaltet, einschließlich des Schrittes 79
des Vorbereitens zum Gießen, des Schrittes 81 des Gießens, des
Schrittes 90 des Einkapselns und des Schrittes 97 der Verwendung
der Verbindung. Jeder dieser Schritte schließt eine Reihe von
Teilschritten ein, bei denen Größen und Material und die
richtige Gestaltung des Verbund-Kupplungselementes aus den Materialien
für die Anwendung ausgewählt werden. Normalerweise wird das
Kupplungselement nach dem Gießen und bevor es für die Anwendung
montiert wird, eingekapselt. Wie jedoch in Fig. 5 gezeigt ist,
wird das Kupplungselement unter bestimmten Umständen direkt nach
dem Gießen ohne Einkapseln montiert.
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In Fig. 6 ist ein Blockdiagramm des Schrittes 79 der
Vorbereitung zum Gießen, einschließlich des Teilschrittes 82 der Wahl
der Buchsen und ihrer Montage in einer Spannvorrichtung, des
Teilschrittes 83 der Wahl der Stränge und ihrer Anordnung in
einer Ausgabevorrichtung und des Teilschrittes 84 der Wahl und
des Mischens eines für die Anwendung geeigneten Harzmaterials.
Das kann erfolgen, wenn Wetter- und Schlagschäden keine Rolle
spielen. Obwohl die Buchsen nicht unbedingt in allen
Ausführungen erforderlich sind, sollten sie in anderen Verwendung finden.
Es handelt sich dabei in der bevorzugten Ausführung um
spulenähnliche Buchsen. Sie sind mit einer Strangnut ausreichender
Fläche ausgebildet, um die Beanspruchungen auf die Bolzen zu
verringern. Wenn keine Buchsen vorhanden sind, werden die Bolzen
selbst oder Stifte mit einem Durchmesser gleich dem
Bolzendurchmesser in einer Spannvorrichtung angebracht, um mit den Strängen
umwunden zu werden. Der Prozeß kann das Aufbringen des Harzes
vor dem Umschlingen der Buchsen einschließen oder das Harz kann
nach dem Wickeln aufgetragen werden.
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Die Stränge werden je nach Anwendungsgebiet der Maschine 10
(Fig.1) gewählt. Die Größe des Drehmomentes, die Abmessungen der
Wellen, die Größe des Versatzes und die erwarteten Drehzahlen
spielen bei der Wahl der Stränge alle eine Rolle. Normalerweise
weisen die Stränge eine hohe Zugfestigkeit auf, sind biegsam und
länglich. Sie sind so auf die Buchsen oder Kupplungselemente
gewickelt, daß sie durchlaufende, nicht unterbrochene Schleifen
bilden.
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Wenn sich das Harz bereits im Harzbad befindet, wird das Harz
gleichzeitig mit dem Wickeln der Stränge aufgetragen. Ist das
jedoch nicht der Fall, kann ein geeignetes Harz vor dem Wickeln
aufgetragen werden oder das Harz kann in der Gießform
aufgebracht
werden. Das Harz ist so gewählt, daß es sich mindestens
soviel dehnt, wie die Stränge unter Belastung, um ein Reißen zu
verhindern und es muß ausreichend elastomer sein oder einen
geeigneten Modul aufweisen, so daß es bei geringem Biegen nicht
reißt.
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In Fig. 7 ist ein Blockdiagramm des Schrittes 81 des Gießens
gezeigt, einschließlich des Teilschrittes 85 der Einrichtung des
Harzbades für die gewünschte Faser (Harzverhältnis und
Imprägnieren der Faser), des Teilschrittes 86 des Wickelns der
imprägnierten Stränge auf die Buchsen, des Teilschrittes 87 des
Abflachens der Segmente in der Gießform des Teilschrittes 88 des
Aushärtens des Verbund-Kupplungselementes 30 und des
Teilschrittes 89 des Entfernens des Kupplungselementes 30 aus der
Wickelform.
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Der Schritt 87 des Abflachens der Segmente wird durch die Form
vor dem Aushärten durchgeführt. Die Höhe der Form ist so
gewählt, daß die Dicke des Segmentes zwischen 1 und 10 % seiner
Breite ist. Der genaue Wert ist gewählt, um ein ausreichendes
Biegen zu gestatten.
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Nachdem das Wickeln durchgeführt und das Harz an Ort und Stelle
ist, wird das Verbund-Kupplungselement 30 durch die Temperatur
ausgehärtet. Die genaue Aushärttechnologie ist so gewählt, daß
sie dem auszuhärtenden Harz angepaßt ist, die Parameter jedoch
gesteuert sind, um die Stränge im Harz nicht zu beschädigen.
Eine abschließende Schutzbeschichtung kann auf die Außenseite
aufgetragen werden, um die Schlagfestigkeit o.ä. für einige
Anwendungen, wie z.B. in Schritt 90, zu erhöhen.
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In Fig. 8 ist ein Blockdigramm des Schrittes 90 des Einkapselns
gezeigt, einschließlich des Teilschrittes 91 des Anordnens des
gegossenen Elementes, das aus Schritt 89 (Fig.7) in einer
Einkapselungsform erhalten wurde, des Teilschrittes 92 der Wahl und
des Mischens des Einkapselungsharzes, des Teilschrittes 93 des
Vergießens des Einkapselungsharzes um das geformte Element, des
Schrittes 94 des Aushärtens des Einkapselungsharzes und des
Teilschrittes 95 der Entfernung des eingekapselten Elementes 30
aus der Einkapselungsform. In der bevorzugten Ausführung wird
der Schritt 90 des Einkapselns des Verbund-Kupplungselementes 30
zwischen den Schritten 89 und 96 (Fig. 5) durchgeführt, um eine
Beschichtung zu bilden, die dabei hilft, Schaden für das Element
30 durch mechanische Einwirkungen wie z.B. Fremdkörper, zu
verhindern.
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In Fig. 9 ist ein Blockdiagramm des Schrittes 97 der Verwendung
der Verbindung dargestellt, einschließlich des Teilschrittes 96
der Herstellung/Montage der Flansche/Welle, wie erforderlich,
des Teilschrittes 98 der Anbringung des Kupplungselementes an
die Flansche der Antriebs- und der angetriebenen Welle und des
Teilschrittes 99 des Drehens der Antriebs- und der angetriebenen
Wellen. Nachdem das Verbund-Kupplungselement (30) gebildet ist,
wird es an einer Antriebswelle oder an einer angetriebenen Welle
angebracht.
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Zu diesem Zweck wird eine Metallbuchse oder -nabe in bekannter
Art und Weise an der Antriebswelle befestigt. Sie enthält einen
sich nach außen erstreckenden ringförmigen Flansch mit Löchern
für die Befestigungselemente, die über den Umfang beabstandet
sind und wird entsprechend den anderen Öffnungen im
Kupplungselement angebracht. Gleichermaßen ist an der angetriebenen Welle
einer Kupplungseinheit angebracht, die einen Flansch mit über
den Umfang beabstandeten Löchern aufweist, welche mit den
anderen Öffnungen im Verbund-Kupplungselement 30 ausgerichtet sind.
Die Wellen werden dann mit den Öffnungen in den Flanschen und
dem ausgefluchteten Verbund-Kupplungselement ausgerichtet.
Bolzen oder andere Befestigungselemente werden verwendet, um die
anderen Löcher im Verbund-Kupplungselement 30 mit den Löchern im
Flansch des angetriebenen Elementes zu verbinden. Andere Bolzen
oder Befestigungselemente werden verwendet, um die Löcher im
Flansch des angetriebenen Elementes mit den anderen Flanschen am
Verbund-Kupplungselement 30 zu verbinden.
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Wenn das Antriebs- und das angetriebene Element miteinander
verbunden sind, können sie gedreht werden. Wenn sie in einer
Richtung gedreht werden, ziehen die Befestigungselemente der
Antriebswelle die Stränge 56 in dem Verbund-Kupplungselement 30
und diese Stränge 56 ziehen wiederum die Befestigungselemnente
der angetriebenen Welle, so daß sie sich unter Zugbeanspruchung
befinden. Der axiale Versatz und der Winkelversatz der Öffnungen
verursacht ein geringfügiges Biegen des
Verbund-Kupplungselementes 30. Dieses Biegen wird jedoch ohne weiteres durch das Harz
und die Stränge 56 aufgenommen, die speziell einem solchen
Biegen an gepaßt sind.
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Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die
Kupplungstechnik der vorliegenden Erfindung mehrere Vorteile
besitzt, wie z.B.: (1) sie kann über einen langen Zeitraum
betrieben werden, wobei sie in diesem Zeitraum einem Winkel- und
einem axialen Versatz zwischen dem Antriebselement und dem
angetriebenen Element zwischen 0 und 6 Grad für Winkelversatz und
einer äquivalenten Größe einer linearen Auslenkung infolge
Axialversatz ausgesetzt sein kann; (2) sie kann einen weiten
Bereich von Drehmomenten übertragen, der ausgedrückt in in der
Praxis üblichen Größen vom Bruchteil eines Watts bis zu
Hunderttausenden von Kilowatt reichen kann und sie ist leicht über
diese Bereiche skalierbar; (3) sie enthält keine gleitenden,
rollenden oder rutschenden Teile, die einem Verschleiß
unterworfen sind und bei denen Wartungsprobleme vorhanden sind; (4)
sie erfordert keine Schmierung; (5) sie erzeugt geringe
unerwünschte Belastungen auf die Wellen und das Lager des
Antriebselementes und auf Lager und Welle des angetriebenen Elementes;
(6) sie ist in hohem Maße korrosionsbeständig; (7) sie zeigt
einen hohen Widerstand gegen Ermüdungsbruch; und (8) sie ist
relativ billig, einfach in der Herstellung und weist eine
praktische Größe für einen weiten Bereich von Anwendungen auf.
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Obwohl eine bevorzugte Ausführung der Erfindung detailliert
beschrieben wurde, sind viele Veränderungen und Variationen im
Sinne der vorherigen Ausführungen möglich. Es ist daher so, daß
innerhalb des Schutzumfanges der beigefügten Ansprüche, die
Erfindung auch anders ausgeführt sein kann, als sie spezifisch
beschrieben wurde.