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Vorrichtung zur Kraftübertragung zwischen zwei gegeneinander verschiebbaren
Maschinenelementen Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kraftübertragung
zwischen zwei gegeneinander verschiebbaren Maschinenelementen. Sie ist grundsätzlich
für Maschinenelemente beliebiger Art anwendbar, also beispielsweise auch als Kraftübertragungsvorrichtung
in rotierenden Kupplungen. Zweck der Erfindung ist vornehmlich die Regulierung der
Belastbarkeit der Kraftübertragungsvorrichtung durch eine verhältnismäßig geringe
Steuerkraft und dabei insbesondere zu ermöglichen, daß von einer bestimmten Grenze
ab die Kraftübertragungsvorrichtung in vorbestimmter Weise in ihrem Reibungsschluß
nachgibt.
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Ein besonders günstiges Anwendungsgebiet für Kraftübertragungsvorrichtungen
der erwähnten Art ist der verstellbare Reibungsgrubenstempel, bei dem der Innenstempel
im Außenstempel in einer solchen Weise reibungsschlüssig gehalten werden soll, daß
eine Verschiebung des Innenstempels in den Außenstempel bei Gebirgsdruck auf den
Innenstempel bis zu einer bestimmten Höhe nicht oder nur in ganz geringem Maße stattfindet,
während bei Überschreiten des hohen Druckwertes ein Verschieben des Innenstempels
in das Innere des Außenstempels erfolgen soll, damit bleibende Deformierungen des
Stempels vermieden werden.
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Gemäß der Erfindung erfolgt die reibungsschlüssige Verbindung zweier
Maschinenelemente miteinander durch ein Kraftübertragungsmittel, das aus einem festen
deformierbaren, in seinen ursprünglichen Zustand rückführbaren Stoff besteht, der
reibungsschlüssig mit dem einen der Maschinenelemente verbunden ist, so daß ein
von dem einen Maschinenelement auf das Kraftübertragungsmittel
ausgeübter
Druck bei gleichzeitiger Bewegung des Kraftübertragungsmittels in Richr tung des
Druckes sich in der Fläche, an der das Kraftübertragungsmittel mit dem anderen Maschinenelement
reibungsschlüssig verbunden ist, nach einer Expotentialkurve aufbaut. Als ein solcher
Stoff eignen sich sehr elastische, leicht deformierbare Stoffe, wie Gummi, aber
auch feste Stoffe in körniger Form, z. B. kleine Stahlkugeln, Quarzsand und auch
ein fester Stoff, der infolge seiner Form elastisch und leicht deformierbar ist,
z. B. eine Schraubenfeder, die auf ihrer Außenseite mit dem anderen Maschinenelement
reibungsschlüssig verbunden ist oder ein "ähnlich angeordneter Stahlzylindermantel,
der rhombische Ausschnitte besitzt. Gegenstand der Erfindung ist daher eine Vorrichtung
zur Kraftübertragung zwischen zwei gegeneinander verschiebbaren Maschinenelementen
zum Zwecke des Antriebs oder Bremsens, wobei die Erfindung darin besteht, daß als
Kraftübertragungsmittel deformierbare Füllstoffe (elastisch, körnig, pulverig) zwischen
den in einem allseitig oder größtenteils geschlossenen Druckraum gegeneinander beweglichen
Maschinenelementen derart eingebracht sind, daß ein von dem einen Element auf den
Füllstoff ausgeübter Druck bei dessen gleichzeitiger Zusammendrückung und Bewegung
in Richtung auf das andere Element dieses erst verschiebt, nachdem eine im voraus
bestimmbare Druckhöhe überschritten worden ist.
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Bei Anwendung des Erfindungsgedankens auf Maschinenelemente, die lediglich
gegeneinander längs beweglich sind, beispielsweise bei verstellbaren eisernen Grubenstempeln,
wird diese Anordnung vorzugsweise so getroffen, daß der eine Körper (Innenstempel)
in einem langgestreckten Hohlraum des anderen Körpers (Außenstempel) längs verschiebbar
ist und das Kraftübertragungsmittel reibungsschlüssig an der Innenwand des Hohlkörpers
anliegt und in dieser Lage nachgiebig durch eine Kraft gehalten wird. Diese Kraft
kann beispielsweise durch eine Feder erzeugt werden, die der Bewegungsrichtung des
eindringenden Körpers entgegengerichtet ist, oder auch .dadurch 'hervorgerufen werden,
daß das Kraftübertragungsmittel selbst derart unter Spannung gesetzt wird, daß es
durch Reibung an der Innenwand des Hohlkörpers in seiner Lage gehalten wird.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit verstellbaren eisernen
Grubenstempeln.
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Die Fig. i bis 4 zeigen Schnitte durch vier verschiedene Ausführungsbeispiele
eines Grubenstempels, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
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Die Figuren stellen nur den mittleren Teil des Grubenstempels dar.
In Fig. i besteht der Außenstempel i aus einem Stahlrohr, in den der Innenstempel
2, der aus einem Stahlrohr entsprechend kleineren Durchmessers besteht, eingeführt
werden kann. Das Stahlrohr 2 ist unten durch einen Boden 3 abgeschlossen. Eine Tragplatte
4, die in den Innenraum des Außenstempels i paßt, ist mit dem Boden 3 durch einen
Schraubenbolzen 5 verbunden und wird von einer Feder 6 auf den Boden 3 zu gedrückt.
Zwischen dem Boden 3 und der Platte 4 liegen übereinander vier gleichartige Gummischeiben
7.
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Die Gummischeiben sind so bemessen, daß sie in urigespanntem Zustande
die Innenwandung des Außenstempels i mit ihrer Mantelfläche berühren. Zum Schutz
der Mantelflächen der Gummischeiben können sie einzeln mit dünnen elastischen Metallmänteln
8 versehen sein, die zur Erhöhung der Elastizität am Umfange geschlitzt sein können.
Diese dünnen Metallmäntel sind vorzugsweise nach unten 'hin so weit verlängert,
daß sie über den Metallmantel der darunterliegenden Gummischeiben greifen.
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Die Vorrichtung wird folgendermaßen benutzt: Beim Setzen des Stempels
wird der Innenstempel 2 aus dem Außenstempel 2 so weit herausgezogen, daß der nicht
dargestellte Kopf des Innenstempels am Hangenden anliegt. In der Regel wird durch
Benutzung einer Setzvorrichtung der Innenstempel2 so weit ;herausgezogen, daß sein
Kopf mit einem gewissen Druck, der Setzspannung, gegen das Hangende drückt. Die
Gummischeiben 7 werden unter dem Druck der Feder 6 so weit zusammengedrückt, daß
sie sich mit ihren Mantelflächen reibungsschlüssig gegen die Innenwand des Außenstempels
i legen. Wenn anschließend die Setzvorrichtung fortgenommen wird, so drückt das
Gebirge auf den Innenstempel in Richtung des Pfeiles A. Unter diesem Druck bewegt
sich der Innenstempel 2 in Richtung des Pfeiles A und versucht, die Gummischeiben
7 weiter zusammenzudrücken. Da Gummi praktisch inkompressibel ist, hört diese Abwärtsbewegung
des Innenstempels auf, sobald noch etwa freigebliebene Hohlräume zwischen dem Boden
3 und der Platte 4 ausgefüllt sind. Der auf die Gummischeiben ausgeübte Druck überträgt
sich auf die Flächen, mit denen diese Gummischeiben an der Innenwandung des Außenstempels
i anliegen. Diese Verteilung erfolgt nach einem Exponentialgesetz derart, daß an
dem Mantel der oberen Scheibe 7 ein um ein Vielfaches höherer Druck auftritt als
an der Mantelfläche der unteren Gummifläche 7. Infolge der diesem Druck entsprechenden
hohen Reibkraft, welche die Gummischeiben 7 gegenüber dem Außenstempel i ausüben,
kann der Innenstempel 2 dem in Pfeilrichtung A wirkenden Gebirgsdruck so lange nicht
weiter nachgeben, als der Druck nicht überschritten wird, der der Gesamtreibungskraft
der Scheiben entspricht.
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Man kann z. B. die Größen und Materialkonstanten der Gummischeiben
7 so abstimmen, daß die nächstfolgenden stets die doppelte Reibkraft erzeugen. Wenn
in solchen Fällen der Innenstempel 2 mit 32 t belastet wird, so nimmt die obere
Gummischeibe 7 davon 16 t auf, die nächste Gummischeibe 8 t, die folgende 4 t und
die unterste 2 t. Die Feder 6 braucht aber nur einen Druck auf die Platte 4, auf
der die unterste Gummischeibe liegt, auszuüben, der einen kleinen Bruchteil der
Belastung
des Stempels darstellt. Es ist also möglich, unter Anwendung von Federn 6 Drücke
von 6o bis 70 t auszuhalten, ohne Federn zu benötigen, die außerhalb üblicher
Dimensionen liegen. Bei Überschreiten des Maximaldruckes gibt die Feder 6 nach,
so daß der Innenstempel 2 in den Außenstempel i eindringt. Das Rauben des Stempels
erfolgt nach Lösen der Feder 6.
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Wenn man die Beanspruchung des Außenstempels in der ganzen Länge,
in der die Gummischeiben 7 angreifen, gleich groß !halten will, so kann man dies
dadurch erreichen, daß man die Gummischeiben als Ringe ausbildet und den Innendurchmesser
der Ringe nach unten hin nach einem Exponentialgesetz wachsen läßt, das dem Exponentialgesetz
entspricht, nach welchem die Druckverteilung erfolgt. Dabei ist zu berücksichtigen,
daß der Druckübersetzungseffekt mit abnehmender Wandstärke der Ringe wächst. Beispielsweise
benötigt man für die gleiche Wirkung, die eine Scheibe 'hat, deren Höhe gleich dem
Durchmesser ist, bei einem Gummiring, dessen Wandstärke nur ein Zehntel des Durchmessers
beträgt, nur eine Höhe von etwa zwei Zehnteln des Durchmessers.
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An Stelle des Gummis können auch andere feste Stoffe benutzt werden,
die neben einer !hohen Elastizität eine leichte Deformierbar'keit besitzen und somit
gegenüber Flüssigkeiten die Eigenart einer erheblichen inneren Reibung haben. Die
Höhe des eingesetzten Kraftübertragungsmittels und gegebenenfalls die Zahl der eingesetzten
Scheiben 7 aus elastischem, leicht deformierbarem Stoff sind abhängig von der Größe
der beabsichtigten Übersetzung zwischen der Belastung und der auf die Platte 4 wirkenden
Kraft.
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An Stelle eines festen Körpers, wie Gummi, der infolge seines Materials
hoch elastisch und leicht deformierbar ist, kann man auch einen festen Stoff benutzen,
der infolge seiner Form elastisch und leicht deformierbar ist, z. B. eine Schraubenfeder,
die zwischen dem Boden 3 und der Platte 4 liegt und die außen reibungsschlüssig
mit dem Innenstempel i gekuppelt ist, oder einen Zylindermantel aus Stahl, der rhombische
Ausschnitte derart besitzt, daß er beim Zusammendrücken in axialer Richtung eine
elastische Dehnung in radialer Richtung erfährt.
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An Stelle eines zusammenhängenden festen Stoffes kann man als Kraftübertragungsmittel
auch eine Menge kleiner Teilchen von regelmäßiger oder unregelmäßiger Gestalt und
gleicher oder ungleicher Größe eines festen Stoffes benutzen, z. B. Kugeln, Zylinder,
Körner aus Stahl, sonstigem Metall, Quarzsand. Sie können auch in bestimmter Weise
gemischt sein, z. B. Stahlkugeln verschiedener Größe gemischt mit Körnern einer
CU-Pb-Legierung, welche die Lücken zwischen den Kugeln ausfüllen und eine gleichmäßigere
Druckverteilung und einen geringeren Verschleiß bewirken.
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Fig. 2 zeigt die Anordnung eines Grubenstempels, bei der Quarzsand
als Kraftübertragungsmittel benutzt wird. Bei der Benutzung von Quarzsand entsteht
die Gefahr, daß bei hoher Flächenpressung ein Fressen der Quarzsandkörner an der
Wand des Außenstempels i eintritt. Da infolge der exponentialen Druckverteilung
der Druck des Quarzsandes auf den Außenstempel i oben sehr groß wird, ist bei der
Anordnung nach Fig. 2 eine Vergleichmäßigung des spezifischen Druckes dadurch bewirkt
worden, .daß der Quarzsand in mehreren Ringen angeordnet ist, die eine Höhe haben,
die der exponentiellen Druckabnahme entspricht. Bei der Bemessung dieser Ringe ist
ferner die obenerwähnte Erscheinung zu berücksichtigen, daß bei Verwendung schmalerer
Ringe auch die Höhe geringer sein muß, um das gleiche Verhältnis zu erreichen.
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Bei der Anordnung nach Fig.2 sind übereinander vier Ringräume 9, 1o,
11, 12 angeordnet, die mit Quarzsand gefüllt sind. Die Ringräume sind voneinander
getrennt durch Zwischenböden 13, 14, 15, die sich einander mittels konzentrischer
Ansätze führen. Die Grundplatte 16 ist mit einem Rand 17 versehen, der den
untersten Ringraum 12 begrenzt. Die Platte 16 ist mit dem Boden 3 des Innenstempels
2 mittels eines Schraubenbolzens 5 verbunden und steht unter dem Druck einer Drguckfeder
6. Der Druck der Feder wirkt hier nur auf den untersten Druckraum 12.
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Wenn das Hangende auf den Innenstempel in Richtung des Pfeiles A drückt,
nimmt der Quarzsand im Ringraum 9 einen wesentlichen Teil des Gesamtdruckes auf
und überträgt ihn durch Reibung auf die Innenwand des Außenstempels i. Ein Teil
des Druckes, bei den übrigen gleichen Verhältnissen die Hälfte des Druckes, wird
auf den Quarzsand im Raum io übertragen, wobei dieser Quarzsand wiederum die Hälfte
des Druckes auf den Quarzsand im Raum i i überträgt usw. Durch eine abweichende
Bemessung jedoch, wie sie in Fig.2 angedeutet ist, kann man andere Verhältnisse
erzielen und vor allem erreichen, daß der spezifische Flächendruck auf die Wand
des Außenstempels i an allen Stellen, wo der Außenstempel beansprucht wird, der
gleiche ist.
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Bei der Anordnung nach Fig.3 ist der Raum zwischen dem Boden 3 des
Innenstempels 2 und der damit verbundenen Platte 18 durch eine entsprechende Form
der Platte 18 nach einer solchen Exponentialkurve geformt, daß der spezifische Flächendruck
auf den Außenstempel i überall der gleiche ist. Um ein Austreten des Quarzsandes
zu verhindern, sind elastische Schutzringe i9 und 20, beispielsweise aus Federstahl,
einzusetzen.
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Der in Richtung des Pfeiles A wirkenden Kraft, die den Innenstempel
in den Außenstempel hineinzudrücken versucht, wirkt bei den Anordnungen nach Fig.i
bis 3 eine Gegenkraft entgegen, deren Größe bestimmt wird durch die Feder 6; denn
diese Feder 6 übt einen solchen Druck auf das Kraftübertragungsmittel aus, daß dieser
sich reibungsschlüssig gegen die Innenwand des Außenstempels i legt und dadurch
dem Eindringen des Innenstempels 2 einen Widerstand entgegensetzt. Diese Konstruktion
mit einer Feder 6 kann man
durch andere Konstruktionen ersetzen,
beispielsweise wird bei der Anordnung nach Fig. i die Platte 4 von einer Feder getragen,
die sich andererseits auf dem Fuß des Außenstempels abstützt. Der Bolzen 5 ist dann
entbehrlich. Eine solche Anordnung zeigt die manchmal nützliche Eigenart, daß der
Druck der Feder und damit die Druckaufnähmefähigkeit des Stempels bei weiterem Einsinken
zusätzlich entsprechend der Charakteristik dieser Feder steigt. Anstatt einer solchen
Feder kann man auch einen federnden Ring benutzen, der die Platte 4 trägt und sich
unter Reibung gegen die Innenwand des Außenstempels i legt. Statt eines solchen
Federringes kann auch eine Gummiplatte entsprechend großen Außendurdhmessers benutzt
werden.
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Falls als Kraftübertragungsmittel eine Schraubenfeder benutzt wird,
kann die Charakteristik des Grubenstempels, d. h. der Einsinkweg ,in Abhängigkeit
von der Belastung, dadurch den Wünschen angepaßt werden, daß man die Feder entsprechend
formt, sie also z. B. im unteren Teil schwächer und im oberen Teil stärker macht,
sei es durch Wahl verschiedener Querschnitte der Feder, sei es durch die Zahl der
Windungen je Längeneinheit, und bei einem Zylindermantel mit rhombischen Ausschnitten
durch die verschiedene Höhe der stehengebliebenen Stege.
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F ig. 4 stellt einen Grubenstempel dar, dessen Außenstempel aus zwei
konzentrischen Rohren 21, 22 besteht, deren Zwischenraum mit Quarzsand 23
ausgefüllt .ist. Der Stempel ist am unteren Ende durch eine Grundplatte 24 verschlossen.
Der Innenstempel besteht aus einem Rohr 25, das am unteren Ende zugeschärft ist.
Das Rohr 25 'hat einen solchen Durchmesser, daß es in den Zwischenraum zwischen
.den Rohren 21, 22 paßt und genügend Raum für den Quarzsand 25 frei läßt. Beim Eindringen
.des Innenstempels 25 in den Außenstempel 21, 22 verdrängt er einen Teil des Quarzsandes
23 und komprimiert den Quarzsand. Durch Wahl des Querschnittes des Oberstempels
25 im Verhältnis zu dem vom Quarzsand eingenommenen Querschnitt des Raumes 23 wird
die Kompression so weit zugelassen, daß ein Blockieren nicht eintreten kann, womit
jedes weitere Eindringen des Oberstempels unmöglich wäre. Es bildet sich daher zwischen
den Wandungen 21 und 25 einerseits und 22 und 25 andererseits in Wechselwirkung
zwischen dem von oben kommenden Druck und der durch die Verdrängung entstehenden
Reibung ein Druckgebirge gemäß dem Exponentialgesetz aus, welches das weitere Eindringen
des Oberstempels nur bei überschreiten eines bestimmten Druckes gestattet, und zwar
nach einer durch die Konstruktion und die Dimensionierung bedingten Wegdruckkurve.
Der Druck wächst, wenn durch das weitere Eindringen die Reibflächen vergrößert werden,
und er wird annähernd konstant, wenn die Größe der gegenüberliegenden wirksamen
Flächen konstant ist. Dies kann man durch Querschnittsverminderung des Oberstempels
25 oberhalb der für die Reibung wirksamen Flächen oder andere konstruktive Maßnahmen
am Unter- oder Oberstempel, wie Eindrehen von Rillen oder konische Erweiterung des
Unterstempels, erreichen.
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Das Beispiel der Abb. 4 zeigt einen Fall, in dem es reicht erforderlich
ist, durch besondere Konstruktionselemente eine Vorspannung zu erzeugen. Vielmehr
kann sich von selbst ein Vordruck einstellen, z. B. durch das Eigengewicht des Füllmaterials
oder durch geringe Anfangsreibung besonders bei schnell gegeneinander bewegten Flächen
bzw. Maschinenelementen und kann als Ausgangspunkt für die exponentielleDrucksteigerung
dienen.
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Die dargestellten Anordnungen sind Prinzipskizzen. Es ist dem Fachmann
ohne Schwierigkeit möglich, diese Anordnungen den Bedürfnissen des einzelnen Falles
anzupassen durch entsprechende Gestaltung und Anordnung .der einzelnen Teile und
z. B. .die bei Grubenstempeln .in der Praxis gewünschten Einrichtungen zum Setzen
und Rauben anzubringen. Desgleichen ist es dem Fachmann leicht möglich, den an Beispielen
der geradlinigen Bewegung beschriebenen Erfindungsgedanken auf rotierende Maschinenelemente
für Bremsen oder Kupplungen zu übertragen und Vorkehrungen zur Aufhebung der Kupplungswirkung
durch einfaches Auslösen der Vorspannung anzubringen.