DE7705310U1 - Fluidbetaetigte kupplung - Google Patents

Description

PATENTANWALTS BÜRO lD-4 DÜSSELDORF · SCHUMANNSTR. 97

PATENTANWAITE:
Dipl.-lng. W. COHAUSZ · Dipl.-lng. W. FLORACK · Dipl.-lng. R. KNAUF · Dr.-lng., Dipl.-Wirtsch.-lng. Λ. GERBER · Dipl.-lng. H. B. COHAUSZ

Pörenade Fabriksverken

S-631 87 Eskilstuna 1Θ. Februar 1977

Fluidbetätigte Kupplung

Die Erfindung betrifft eine f3uidbetätigte Kupplung zu™ lösbaren Kuppeln mindestens zweier Elemente, vorzugsweise zur Übertragung eines Drehmoments zwischen ihnen, bestehend aus einer äußeren Hülse, einer inneren Hülse, die konzentrisch in der äußeren Hülse sitzt und damit mindestens an einem Ende verbunden ist und einen Hohlraum zwischen der äußeren Hülse und der Inneren Hülse bildet, und Mitteln zum Einleiten eines Druckfluids in den Hohlraum, wobei die radiale Abmessung der Hülsenwände durch Änderung des Drucks des+ Druckfluids in dem Hohlraum veränderlich ist.

Fluidbetätigte Kupplungen der vorstehend genannten Art sind bekannt, bei denen der Hohlraum, der das Druckfluid enthält, ein relativ großes Volumen hat. Solche Kupplungen werden häufig zum lösbaren Festspannen eines Bads oder dergleichen auf einer Welle benutzt, und für allgemeine Zwecke erbringen die bekannten Kupplungen gute Ergebnisse.

Diese bekannten Kupplungen sind jedoch in verschiedener Hinsicht nachteilig, wenn sie in einem Bereich benutzt werden, der großen Temperaturänderungen unterliegt. Das Druckfluid, das allgemein ein Öl oder ein Fettprodukt ist, hat allgemein einen Ausdehungskoeff£izienten, der viel größer als der Ausdehnungskoeffizient der inneren und der äußeren Hülse ist» die normalerweise aus Stahl ausgeführt sind. Allgemein ist der Ausdehnungskoeffizient für das Druckfluid um ein Zehnfaches höher als der von Stahl.

Wa/Ti - 2 -

Venn eine Kupplung der vorstehend genannten Art hohen Temperaturen ausgesetzt wird, dehnt sich das Druckfluid stärker als die Stahlhülsen aus, und im Falle von großen Temperaturunterschieden kann das zu einer Verformung der Kupplung führen und sogar ein Platzen der Kupplung hervorrufen. Bs ist ferner schwierig, eine gute Abdichtung bei den sehr hohen Drücken zu erreichen, die entstehen, wenn die Temperatur stärk erhöht wird.

Wenn umgekehrt die Temperatur abfällt, zieht sich das Druckfluid stärker zusammen als die Stahlhülsen, und die Drehmomentenübertragungsfähigkeit wird entsprechend verringert, und es kann sogar passieren, daß eines oder beide der Elemente von der Kupplung bei extrem niedrigen Temperaturen getrennt werden.

Hohe Temperaturen bedeuten in diesem Zusammenhang solche bis zu 100 bis 125 C des Druckmediums, und tiefe Temperaturen bedeuten hier Temperaturen von -3O⁰C oder weniger.

Es sind Versuche unternommen worden, die vorstehenden Nachteile dadurch zu beseitigen, daß als Druckfluid ein Druckmedium benutzt wird, das einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten als die vorstehend genannte Flüssigkeit oder das Fett hat, es gibt aber keine Kupplungen, bei denen diese Nachteile beseitigt oder wesentlich gemildert worden sind, damit die Kupplung hohen Temperaturunterschieden auegesetzt werden kann und trotzdem brauchbar bleibt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine fluidbetätigte Kupplung zum lösbaren Kuppeln mindestens zweier Elemente miteinander zu schaffen, die benutzt werden kann, selbst wenn sie großen Temperaturunterschieden ausgesetzt wird, ohne verformt zu werden, und zwar wegen extremer Ausedehnungen oder Zusammenziehungen des Druckfluids, die sich im Falle des Abfallens der Temperatur nicht löst und bei der keine schwerwiegenden Abdichtungsprobleme auftreten, die von hohen Temperaturanstiegen herrühren, wenn die Kupplung großen Temperaturerhöhungen ausgesetzt wird.

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Ein Temperaturanstieg ΔΤ bewirkt einen Druckanstieg AP innerhalb des Hohlraums der Kupplung auf Grund der Tatsache, daß der Ausdehnungskoffizient der Flüssigkeit *\ größer als der der inneren Hülse und der äußeren Hülse ist. Mathematisch kann der Druckanstieg wie folgt ausgedrückt werden.

ΔΡ - ^X * ^ΔΊ? (1)

E.(1-C²).V

Darin ist ΔΡ die Druckänderung, &T ist die Temperaturänderung, B ist eine KompressibiLitätskonstante für das Druckfluid, d ist der mittlere Durchmesser dess Hohlraums der Kupplung, L ist die Länge des Hohlraums, E ist der Elastizitätsmodul des Stahls der Welle und dtr Nabe, die durch die Kupplung verbunden werden sollen, c ist die Beziehung zwischen dem inneren und dem äußeren Durchmesser der Nabe, die zu verbinden ist, und V ist dag Druokfluidvolumen im Hohlraum der Kupplung.

Aus der vorstehenden Formel geht hervor, daß ein Temperaturanstieg einen Druckanstieg bewirkt und daß eine Volumenänderung den Effekt solcher Temperaturanstiege verringern kann. Um den Effekt verschiedener Volumina des Kupplungshohlrauss bei Temperaturanstiegen zu untersuchen, sind Test« durchgeführt worden, deren Ergebnisse in Fig. 1 und 2 dargestellt sind. In Fig. 1 ist ein Diagramm gezeigt, &ei dem der Druckanstieg AP (waagrechte Achse) bei awei verschiedenen Temperataranstiegen von 5O⁰C und 100 C jeweils geagen eine vertikale Achse gezogen sind, die die Breite t des Hohlräume zwisohen der inneren Hülse und der äfieren Hülse zeigt. Der Druckanstieg ΔΡ ist in bar (1 bar - 0,1 MPa) ausgedrückt, die Breite t des Hohlraums in Millimeter. Alle Tests sind mit einer Kupplung durchgeführt worden, die einen mittleren Durchmesser d tarn Hohlraum von JQ Millimeter hatte, der Ausdehnungskoeffizient des Druckfluids,

-4·

das in diesem Fall ein Fettprodukt war, betrug 7 ^x 10 , die Kompressibilitätskonstante des Druckfluids betrug 6 χ 10 1/bar, der Elastizitätsmodul des Stahls der Welle und der Nabe, die zu verbinden waren, betrug

21 χ 10 kg/cm , und die Beziehung zwischen dem inneren und dem äußeren Durchmesser der zu verbindenden Habe betrug 0,5·

Aus dem Diagramm geht hervor, daß relativ kleine änderungen für bei größer werdenden Hohlräumen von t - 0,5 bis su einer größeren Hohlraumbreite auftreten, während relativ große Unterschiede bei kleiner werdenden Hohlräumen von t - 0,5 auf eine Breite von weniger als 0,5 mm vorhanden sind. Es ist deshalb ersichtlich, daß dann, wenn das Volumen des Druckfluids im Hohlraum der Kupplung auf einen Wert verringert wird, der weniger als t - 0,5 für die in Fig. 1 dargestellte Kupplung entspricht, es möglich ist, den Druokanetieg bei Temperaturanstiegen wesentlich zu verringern. Um das Volumen zu definieren, muß die Breite t des Hohlraums unter Berücksichtigung des mittleren Durchmessers dess Hohlraums berechnet werden, und bei der Betrachtung der Beziehung kann

_2

festgestellt werden, daß der Wert von ttd weniger als etwa 2 χ 10 betragen ksoll.

Es ist während der Versuche festgestellt worden, daß der Wert ttd keine identischen Ergebnisse für verschieden große Kupplungen ergibt, und es ist festgestellt worden, daß der Wert bei größer werdenden Durohmessern etwas abnimmt, was auf die !Datsache zurückzuführen sein dürfte, daß die !Toleranzen von Kupplungen großen Durohmessers relativ kleiner als die von kleinen Kupplungen gemacht werden können, allgemin muß aber die fol gende Beziehung erfüllt sein, um den Druckanstieg bei steigenden Temperaturen zu verringern.

ff * 2.1O^-2 (2)

Im Idealfall beträgt die Beziehung ttd 0, aber aus bekannten Gründen ist das nicht möglich, und unter Berücksichtigung der betreffenden Charakter! stika hat es sich als brauohbar erwiesen, daß die Beziehung gleich

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oder weniger als 2 χ 10 ist.

In Fig. 2 ist ein entsprechendes Diagramm dargestellt, das das Drehmomentenverhältnis M₁Zm. am Butschpunkt zwischen oiner Nabe und einer V He

-Ij-

sieigt, die durch die erfindtingagemäße Kupplung verbunden sind, und zwar bei verschiedenen Breiten t des Hohlraums der Kupplung, und bei verschiedenen Ausgangsdrttoken. Im Diagramm bezieht sich H auf das Rutschdrehmoment allgemein, M- ist ein solches Drehmoment im ursprünglichen Zustand, und M₁ ist das Drehmoment bei erhöhter Temperatur. In allen Versuchen betrug der Temperaturanstieg ^T +100⁰C, und es sind drei verschiedene Werte eingezeichnet, die einem ursprünglichen Druck von 900 bar, 600 bar bzw. 300 bar entsprechen. Die übrigen Werte sind die gleichen, wie sie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert worden sind.

Die in Fig. 2 dargestellten Versuche bestätigen das Ergebnis, das in Verbindung mit den in Fig. 1 dargestellten Versuchen ermittelt worden ist, und es kann festgestellt werden, daß relativ kleine Änderungen in der Drehmomentenbeziehung M₁/M₀ bei einer Breite t dee Hohlraums von mehr als etwa 0,5 mm vorhanden sind, während große Unterschiede von M₁Z¹M₀ bei Breiten t des Hohlraums von weniger als etwa 0,5 nun vorhanden sind. Die Versuche bestätigen folglich, daß die Beziteehung t/d kleiner als etwa

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2 χ 10 sein soll, damit die Einflüsse von Temperaturanstiegen und die Unterschiede von M./M auf Grund solcher Temperaturänderungen wesentlich verringert werden.

Für bestimmte Anwendungsfälle kann es sehr wesentlich sein, die Kupplung so temperaturabhängig wie möglich auszuführen, und wie vorste-/-un~ hend erwähnt, kann das dadurch geschehen, daß der Hohlraum für das Druckfluid sehr dünn gemaoht wird, um die Breite des Hohlraums unter dem vorstehend erwähnten Wert zu halten. Gleichzeitig kann die Temperaturabhängigkeit der Kupplung weiter verringert werden, indem das Druckmedium mit Partikeln aus einem Material vermischt wird, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, der kleiner als der des Druckfluids oder im wesentlichen gleich dem der äußeren und der inneren Hülse der Kupplung ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Ausführungiabeispielen unter Bezugnahme auf Fig. 3 und 4 näher erläutert. Fig. 3 ist ein Querschnitt durch die Kupplung nach der Erfindung, und Fig. 4 ist ein Teilquerschnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeiepiel der erfindungsgemäßen Kupplung.

In Fig. 3 ist eine fluidbetätigte Kupplung 10 gezeigt, die zum Beispiel zur Verbindung einer Nabe 25 mit einer Welle 26 benutzt werden kann. Die Kupplung weist eine äußere Hülse 11 und eine innere Hülse 12 auf, die konzentrisch in der äußeren Hülee 11 sitzt und mit dieeer durch ringförmige Sohweißnähte 13 bzw. 14 verbunden ist. Alternativ zum Verschweißen können die konzentrischen Hülsen 11 und 12 auf andere Art verbunden sein, beispielsweise durch Verlöten, Verschmelzung, Verklebung, Verschraubung oder Vernietung. Beide Hüleen 11 und 12 werden als radial elastisch angesehen, d.h. werden unter andeerem so angenommen, daß sie relativ dünne Wände haben und aus einem Material gefertigt sind, das im vorliegenden Zusammenhang ausreichend elastisch ist, um ein Biegen der Hülsen in entgeagengeeetzte radiale Richtungen unter den Druckwirkungen eines pneumatischen oder vorzugsweise hydraulischen Druckmediums zu ermöglichen, das in eine Zone oder einen Spalt 15 eingeleitet wird, die bzw. der zwischen den beiden Hülsen 11 xmd 12 gebildet ist. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, bewirkt ein Ausbiegen der betreffenden Hülsen einaen reibenden Angriff der äußeren Hülse 11 an der Nabe oder am Bad 25 und der inneren Hülse 12 an der Welle 26, so daß die beiden Elemente durch die Kupplung miteinander gekuppelt werden.

Zur Vereinfachung der Darstellung ist der Spalt 15 zwischen der inneren Hülse und der äußeren Hülse relativ breit dargestellt, um jedoch in der Lage sein zu können, den Effekt der Druckänderung» im Druckmedium als Folge von Temperaturänderungen zu verringern, muß die Breite t des Hohlraums für den Spalt 15, bezogen auf den mittleren Durchmesser d, die

—2 vorstehende Beziehung erfüllen, nämlich t/d * 2 χ 10

Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, ist ein Ende der äußeren Hülse 11 mit einem flansohartigen Bund 16 versehen, in dem sich eine Bohrung 18 befindet, die mit dem Spalt 15 in Verbindung steht. In der Bohrung befindet sich ein abgedichteter Kolben 27, der radial nach innen mittels einer Schraube 30 eingedruckt werden kann. TJm die Gefahr zu beseitigen, daß die äußere Hülse 11 und die innere Hülse 12 auseinandergepreßt werden, sind die Enden des Spalts 15a und 15b als Kehlen ausgebildet, und

— 7 —

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* Ψ ψ 9

in den Kehlen 15a und I6b sitzen ringförmige Füllelemente 15c, 15d, um das Tolumen des Spalts 15 zu verringern. Sie Füllelemente 15o und 15d können aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, das vorzugsweise den gleichen Ausdehungakoeffizienten vie die Hülsen 11 und 12 hat.

In Fig. 4 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Kupplung nach Fig. 3 gezeigt, die ebenfalls eine äußere Hülse 11 und eine innere Hülse 12 hat, die konzentrisch iß der äußeren Hülse 11 Eingeordnet ist und zwischen sich und der-äußeren Hülse einen Hohlraum oder Spalt 15 bildet. An einem Ende sind die beiden Hülsen durch eine Schweißnaht 14 miteinander verbunden, und am gegenüberliegenden Ende öffnet der Spalt 15 in j einen axialen Winkelhohlraum 13', der durch einen Sichtungekolben 27* j abgedichtet ist. Ein Bing wie der Sruokring 27" ist axial außerhalb des Kolbenrings 27* vorgesehen, und dieser Sruokring 27^H kann gegen den Kolbenring 27 und in dien Hohlraum 18* durch mehrere Schrauben 30· gedrückt werden, die um die Kupplung herum angeordnet sind und mit dem Bund 16 der äußeren Hülse 11 zusammenwirken.

Sie Mittel zur Sruokbeaufschlagung des Sruckfluids im Spalt 15 können in irgendeiner geeigneten Form, vorgesehen Bein, und es kann sich dabei um getrennte Fremdmittel zum Einleiten unter Druck gesetzten Fluids in den Spalt handeln, und in einem solchen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Bichtungskolben 27- oder 27· duroh ein Einwegeventil ersetzt, das das Einleiten von unter Druck gesetztem Fluid gestattet, jedoch ein Abfließen eines solchen Sruckfluids verhindert.

Um die Menge an Druckfluid im Spalt 15 zu verringern, kann das Druckfluid kleine Partikel au« einem Material enthalten, das einen Ausdehnungskoeffizienten hat, der der gleiche oder fast der gleiche wie der der inneren Hülse und der äußeren Hülse ist. Indem das Druckfluid mit solchen Partikeln vermischt wird, wird die Menge an Druckfluid entsprechend verringert=

Der Spalt 15, der zwisohen den Hülsen 11 und 12 gebildet ist, kann jede geeignete Form haben, z.B. die in Fig. 4 gezeigte, bei der die re-

duzierten Abaohnitte, s.B. 41e Abschnitte 11' der äußeren Hülse 11 ;. ' und 12« der inneren Hülse 12, eine etwas stärkere Auebiegung als die breiteren Teile 11% 12» ergeben.

Um die Menge an Druckfluid i« Spalt 15 su verringern, kann die äußere IiIlse oder die innere Hülse mit radialen Verlängerungen versehen sein, die normalerweise an der innereα Hülse bsw. an der äußeren Hülse angreifen, die jedooh bei Einleitung Ton Druckfluid in den Spalt, weduroh die Hülsen 11 und 12 etwas auseinander bewegt werden, einen Fließweg für das Druckfluid bilden. Alternativ können getrennte Binge oder entsprachende Elemente im Spalt vorgesehen sein, die die erforderliche Menge an Druckfluid verringern.

Normalerweise ist die Kupplung mit einem so dünnen Hohlraum ausgeführt, daß die äußere Hülse und die innere Hülse bei Umgebungstemperatur und vor der Druokbeaufsohlagung d®s»s Hohlraums «inander berühren, und der DurohmeBeer der Sruokmediumbehxung 18, 18· und der Hub des Kolbens 27, 27· sind so maßlioh festgelegt, daß so weit wie möglich alles Druckmedium bei fertiger Verbindung der Kupplung aus der Mediumbohrung 16, 18/ und in den Hohlraum 15 gedrückt ist. Ferner sind der Durchmesser und der Zub des Druckkolbens 27, 27· jeweils so festgelegt, daß es möglich ist, schnell die vorgesehene Verbindungskraft unter Aufwendung einer relativ mäßigen Kraft beim Anziehen der Schraube oder der Sohruaben 30 zu erzeugen.

Eine Reibungskupplung der in den Zeichnungen genannten Art ißt bei Warmwalzwerken zur Lagerung von Walzenhülsen auf Walzenaoheen geprüft worden, bei denen die Kupplung sehr hohen Temperaturen ausgesetzt worden war und bei denen das Druckfluid, trotz der Kühlung der "alzen des Walzwerks, eine Temperatur bis zu 15O⁰C hatte. Keine Änderung in der Beziehung M₁ /M» wurde zwischen der Walzenachse und der Walzenhülse festgestellt, und keine Verformung der Kupplung wurde festgestellt. Die Kupplung gemäß aer Erfindung 1st also in vielen Anwendungsfällen brauchbar, bei denen bekannte Kupplungen der in Frage stehenden Art wegen des großen Volumens von Druckmedium in Spalt oder Hohlraum naoh-

teilig sind. Sie erfindungsgemäße Kupplung kann sowohl in Anwendung 8-fällen, bei denen die Kupplung sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, ale auch in AnwendungsfEllen benutzt werden, bei denen die Kupplung sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt istp einfach durch Anpassung des Drucke des Sruokfluids auf die Umstände, kann die Kupplung für die verschiedenen Zwecke eingerichtet werden-

Claims (9)

1»* »»ft· •»et β · · COHAUS^i PATENT ANWALTSBÜRO SOHUMANNSTR. 97 . D-4000 DÜSSELDORF Telefon; (0211) 6833 46 Telex; 08586513 cop d PATENTANWÄLTE. Dipl,-Ing, W, COHAUSZ · Dipl.-Ing. R, KNAUF · Dr.-Ing„ Dlpl.-Wlrtsch.-lng. A, GERBER · Dtpl.-Ing, H, B, COHAUSZ ..Schutzansprüche:

1. Kupplung, die aus zwei zwischen den zu kuppelnden Teilen angeordneten, einnen Hohlraum einschließemdem konzentrischen Hülsen besteht, deren Abstand voneinander durch den im Hohlraum herrschenden Druck einer darin vorhandenen Flüssigkeit veränderlich ist, wobei der im übrigen geschlossene Hohlraum |

^_n mit einem zur Zu- und Abfuhr der Flüssigkeit dienenden zusätzlichen Hohlraum verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Volumen der genannten Hohlräume (15, 18) in dem Zustand, in dem der erstgenannte Hohlraum (15) nicht unter einem Druck der Flüssigkeit steht, kleiner ist als ein kreisförmiger Hohlraum, dessen mittlerer Durchmesser gleich dem mittleren Durchmesser (d) des erstgenannten Hohlraums (15) und dessen radiale Breite (t) kleiner ist als ein Fünfzigstel des Durchmessers (d).

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende oder die Enden (15a, 15b) des Hohlraums (15) kehlförmig ausgeführt ist bzw. sind, derart, daß die Gefahr eines AuseinanderdrückeniS der äußeren Hülse (11) und der inneren Hülse (12) beseitigt wird.

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, \. daß die Hohlraumkehlen (15a, 15b) teilweise mit einem Element (15c, 15d) mit im wesentlichen dem gleichen Ausdehnungskoeffizienten wie die innere Hülse (12) und die äußere Hülse (11) gefüllt sind.

4. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlraurrikehlen (15a, 15b) teilweise mit einem getrennten Element (15c, 15d) gefüllt sind, das deren Größe auf eine Größe verringert, die der Breite des Hohlraums (15) im Maximum entspricht.

5. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

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daß die Mittel zum Einleiten von Druckfluid in den Hohlraum (15) eine Bohrung (18), die mit dem Hohlraum (15) und mit der Außenseite in Ver- < bindung steht, einen abgedichteten Kolben (27) in der Bohrung (18) und eine Schraubenanordnung (30) zum Drücken des abgedichteten Kolbens (27) in die Bohrung (18) aufweisen.

6. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einleiten von Druckfluid in den Hohlraum (15) eine axiale Nut (18'), einen abgedichteten Ringkolben (27') in der Nut (18*) und einen Druckring (27") aufweisen, der an dem Ringkolben (27') angreift und diesen durch mehrere Schraubenanordnungen (30) in die Nut (18') drückt, die den Druckring (27") mit der äußeren Hülse (11) verbinden.

7. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Einleiten von unter Druck gesetztem Fluid in den Hohlraum (15) eine fremde Druckquelle und ein Einwegventil aufweisen, das eine Verbindung zwischen dem Hohlraum (15) und der Druckquelle in solcher Vfeise herstellt, daß das Einleiten von Druckfluid in den Hohlraum (15) ermöglicht und ein Entweichen von Druckfluid aus diesem verhindert wird.

8. Kupplung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, das das Druckfluid mit Partikeln mit einem Ausdehnungskoeffizienten vermischt ist, der kleiner als der des Druckfluids oder vorzugsweise der

w gleiche wie der der äußeren Hülse (11) und der inneren Hülse (12) ist.

9. Kupplung nach Anspruch 1, d a du rchgekennzeichnet, daß die äußere Hülse (11) und/oder die innere Hülse (12) mit radialen Verlängerungen ausgeführt sind, die die erforderliche Menge an Druckfluid in dem Hohlraum (15) verringern.