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Elastische Wellenkupplung Die Erfindung betrifft eine elastische Wellenkupplung
und bezweckt Drehschwingungen entweder völlig auszuschalten oder zumindest herabzusetzen.
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Es ist bereits eine Wellenkupplung bekannt, bei der in dem einen Kupplungsteil
in axialen, auf. einem gemeinsamen Radius liegenden Bohrungen die einen Enden von
radialen in einer Ebene liegenden Lenkern mit achsparallelen Zapfen drehbar sind,
deren andere Enden mittels eines breiten, abgewinkelten Flansches ganz in einem
für alle Lenker gemeinsamen, konzentrisch zur Kupplungsachse liegenden ringförmigen
Gummikörper eingebettet sind, der an dem anderen Kupplungsteil befestigt ist. Bei
einer Kraftübertragung von der einen auf die andere Kupplungshälfte, die ein Drehen
der Lenker um ihre Anlenkpunkte zur Folge hat, wird schon beim Beginn der Kraftübertragung
von
dem in den Gummi eingebetteten Flansch auf den Gummi links und rechts von dem Lenkerbügel
eine Zug- bzw. Druckbeanspruchung ausgeübt. Die Kupplung wirkt also schon bei kleinen
Abweichungen der Anlenkpunkte für die Lenker aus ihrer radialen Stellung zueinander,
also schon bei geringer Belastung, verhältnismäßig hart.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, der Kupplung eine derartige
Übertragungscharakteristik zu geben, daß diese bei geringer Belastung weich arbeitet
und sich ihre Nachgiebigkeit bei Übertragung größerer Drehmomente progressiv stark
vermindert.
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Zur Lösung dieser Aufgabe sind gemäß der Erfindung die Lenker an einem
oder an beiden Enden mit der zugehörigen Kupplungshälfte mittels einer zylindrischen,
achsparallel angeordneten Gummibüchse an sich bekannter Art verbunden, die in einer
Ausnehmung des einen Teils liegt und einen Zapfen des anderen Teils umschließt,
wobei sie durch Vorspannung oder Anvulkanisieren an den entsprechenden Teilen befestigt
und an dem jeweiligen Kupplungsteil gegen radiale Verlagerung gesichert ist. Bei
dieser Ausbildung der Wellenkupplung werden die Gummibüchsen bei einer geringen
Verlagerung der Lenker nur auf Torsion und bei größerer Verlagerung infolge exzentrischer
Verformung der Büchse zusätzlich auf Druck und Zug beansprucht. Dadurch ergibt sich
bei einer geringen Belastung der Wellenkupplung eine sehr weiche Nachgiebigkeit,
die ohne plötzlichen Übergang eine sehr steil ansteigende Kennlinie erhält. Diese
gemäß der Erfindung ausgebildete Kupplung hat den Vorteil, daß Schwingungen im kleinen
Belastungsbereich vollständig bzw. praktisch vollständig verschluckt werden, ohne
daß die Wellenkupplung eine große gegenseitige Winkelverlagerung bei hohen Beanspruchungen
zeigt.
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Es ist schon eine Wellenkupplung bekannt, die eine progressive Federcharakteristik
besitzt. Bei dieser erfolgt die Kraftübertragung von der einen Kupplungshälfte auf
die andere mittels Federn, deren Charakteristik sich überlagert, so daß die Kennlinie
der Nachgiebigkeit dieser Kupplung einen plötzlichen Sprung aufweist. Außerdem sind
bei dieser Kupplung an den Drehpunkten der Feder keine Gummibuchsen oder Gummikörper
vorgesehen, die auf Torsion beansprucht werden.
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Es ist gemäß der Erfindung auch möglich, zwei solche Kupplungen in
der Weise zu kombinieren, daß die Lenker beider Kupplungen mit einem gemeinsamen
Zwischenteil verbunden sind. Die Vorteile einer solchen Anordnung sind erstens,
daß die relative Winkelverdrehung der Kupplung bei einem bestimmten Drehmoment gegenüber
der bei direkter Verbindung über radiale Lenker verdoppelt ist, und zweitens,- daß
die Kupplung einen beträchtlichen Grad von ungenauer Ausrichtung der Wellen verträgt.
Eine Parallelverlagerung der Wellen bewirkt eine Winkelschwenkung der Lenker. Es
tritt daher bei fehlerhafter Ausrichtung der beiden Wellen von einer in der Praxis
üblicherweise auftretenden Größenordnung nur eine geringe Reaktionskraft auf, so
daß die auf beiden Seiten der Kupplung angeordneten Lager nicht unzulässig überlastet
werden.
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Falls nur ein geringes Drehmoment zu übertragen ist, genügt es, dem
Gummi eine innere Vorspannung zu geben, indem beispielsweise Gummibüchsen verwendet
werden, die im freien Zustand eine größere Wandstärke aufweisen. Falls jedoch ein
größeres Drehmoment von der einen auf die andere Welle übertragen werden soll, ist
es erforderlich, zwischen den Gummibüchsen und den Metallteilen eine innige Oberflächenverbindung
durch Anvulkanisieren herzustellen.
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Die Gummibüchsen können auch außen und innen mit Metallhülsen innig
verbunden sein, wobei die Metallhülsen dann fest mit den Kupplungsteilen bzw. den
Lenkern verbunden sind.
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Die Anzahl der die Wellenenden verbindenden Lenker hängt von der Größe
der Kupplung und dem zu übertragenden Drehmoment ab.
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Die Drehmomentübertragung erfolgt über die Lenker; die eine Kupplungshälfte
führt hierbei gegenüber der anderen eine kleine Relativdrehung aus.
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Für sehr kleine Drehmomente ist die Steifigkeit der Kupplung fast
nur von der Drehsteifigkeit der Gummibüchsen abhängig. Ein wachsendes Drehmoment
wirkt sich in wachsender Winkelstellung der Lenker gegenüber der radialen Richtung
aus, wobei die wirksame Länge der Lenker gleichfalls anwachsen muß. Der Längenänderung
der Lenker wirkt der Widerstand der Gummibüchsen gegen Zusammenpressen entgegen,
der ein mit zunehmendem Winkel steigendes Rückdrehmoment hervorruft.
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Das von der Vergrößerung der wirksamen Länge der Lenker herrührende
Rückdrehmoment ist im Betriebsbereich nahezu der dritten Potenz der relativen Winkelverdrehung
der beiden Wellen proportional, so daß die Steifigkeit der Kupplung mit wachsendem
Drehmoment rasch ansteigt. Bei niedrigen Drehmomentwerten ist die Kupplungssteifigkeit
jedoch klein genug, um zu ermöglichen, daß die Kupplung in der treibenden oder in
der getriebenen Hälfte auftretende Drehschwingungen unterdrücken kann; da der Mittelwert
der Steifigkeit rasch ansteigt, werden die Schwingungsamplituden klein gehalten.
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Die radiale Wandstärke der Gummibüchsen hängt von der Zahl der Lenker,
von dem zu übertragenden Drehmoment und von den Eigenschaften des Gummis der Gummibüchsen
ab. Die Wandstärke soll jedoch vorzugsweise so gewählt werden, daß die relative
Radialverformung der Büchse unter Vollast roo/o der Gummistärke nicht übersteigt.
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Da die Belastung der GummilAchsen vorwiegend eine Druckbelastung ist,
ist es nicht unbedingt nötig, vollzylindrische Büchsen zu verwenden. Diese können
vielmehr durch an der Außenfläche des äußeren Zapfens bzw. an der Innenfläche des
inneren Zapfens angeordnete halbzylindrische oder teilzylindrische Büchsen ersetzt
werden, so daß nur die druckbelasteten Hälften der Gummibüchsen zur
Verwendung
kommen. Die Belastbarkeit der Büchsen kann durch Schichten- oder Lagenkonstruktion
erhöht werden, d. h. daß auch Büchsen verwendet werden können, die aus drei oder
mehr koaxialen Metallhülsen bestehen, die innig mit Gummizwischenlagen verbunden
sind.
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Bei einer Abwandlung der Kupplung gemäß der Erfindung schließen die
Mittellinien der Lenker in ihrer freien oder unbelasteten Stellung je einen kleinen
Winkel mit der genau radialen Lage ein. Diese Neigung der Lenker ist in einem solchen
Sinne gewählt, daß sie sich, sobald ein Drehmoment übertragen wird, erst in die
genaue Radialstellung bewegen und mit weitersteigendem Drehmoment über diese hinauswandern.
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Die Lenker erreichen ihre Radialstellung schon beim Auftreten eines
kleinen Drehmomentes. In dieser radialen Stellung wirkt dem Drehmoment nur der Schubwiderstand
in Verdrehrichtung der Gummibüchsen entgegen.
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Die Länge der Lenker soll im Verhältnis zu dem radialen Abstand zwischen
den Zapfen der treibenden und der getriebenen Kupplungshälfte vorzugsweise so gewählt
werden, daß die Gummibüchsen in der freien oder Nullaststellung konzentrisch sind.
Wenn sich die Lenker sodann in die Radialstellung bewegen, tritt in den Gummibüchsen
eine gewisse Exzentrizität in einer Richtung auf, die der unter Vollast auftretenden
entgegengesetzt ist. Die Kupplungssteifigkeit hat sodann einen Mindestwert, wenn
die Glieder radial gerichtet sind.
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Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an
drei Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. I ist die Seitenansicht einer Ausführungsform; Fig. 2 ist ein
im vergrößerten Maßstab dargestellter Schnitt nach der Linie 2-2 durch die Kupplung
von Fig. I ; Fig. 3 ist ein Schnitt durch den Teil I6 der Kupplung von Fig. I, wobei
der Schnitt durch die Achsen der beiden Schrauben I8 gelegt ist.
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Fig. 4 ist eine Ansicht einer anderen Ausführungsform der Kupplung,
bei der die Lenker in der unbelasteten oder Leerlaufstellung von der genau radialen
Richtung im Winkel abweichende Lagen einnehmen; Fig. 5 ist ein im vergrößerten Maßstab
dargestellter Schnitt nach der Linie 5-5 durch die Kupplung von Fig. 4; Fig. 6 ist
ein Längsschnitt durch eine Kupplung mit einem besonderen Zwischenstück; Fig. 7
ist eine Ansicht auf die Lenker und das Zwischenstück der Kupplung nach Fig. 6;
Fig. 8 ist eine Ansicht der Kupplungsarme der Kupplung nach Fig. 6 und 7.
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Die in Fig. I, 2 und 3 dargestellte Kupplung ist für die Drehmomentübertragung
von einem treibenden Maschinenschwungrad Io auf eine angetriebene, zur Befestigung
auf der Antriebswelle eines Getriebes od. dgl. geeignete Nabe II bestimmt. Das Schwungrad
weist eine Ausnehmung I2 auf, die zur Aufnahme der Kupplungsteile dient. Die Kupplung
besteht im wesentlichen aus drei sich radial erstreckenden, von den beiden Seitenteilen
I3 gebildeten Lenkern, die an ihren äußeren und inneren Enden an Gelenkpunkte des
Schwungrades Io und der Nabe II angelenkt sind.
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Am äußeren Ende jedes Lenkers weisen die Seitenteile I3 je eine Öffnung
auf, die zur Aufnahme des abgesetzten Teils einer in die Seitenteile eingeschweißten
Hülse 14 dient. Die Hülse 14 ist an die Innenfläche einer Gummibüchse I5 anvulkanisiert,
deren Außenfläche an die Innenfläche einer Bohrung in einem Schmiedestück I6 anvulkanisiert
ist. Dieses Schmiedestück I6 hat seitlich wegstehende Lappen I7, die Schraubbolzen
I8 aufnehmen, mit denen der Teil I6 am Schwungrad Io befestigt ist.
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Am inneren Ende sind die Lenker in gleicher Weise ausgebildet. Das
Schmiedestück ist an diesem Ende jedoch an einen Flansch I9 der Nabe II angeschraubt,
der zur Aufnahme der inneren Enden der Lenker an seinem Umfang Aussparungen aufweist.
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Ein Trennen der Kupplung läßt sich leicht durch Lösen der Schrauben
I8 bewerkstelligen.
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Bei einer Abwandlung der vorherbeschriebenen Ausführungsform können
die an den Enden der Lenker befindlichen Hülsen auch an eine innenliegende Gummibüchse
anvulkanisiert sein, während an die Innenflächen der Gummibüchsen andere Hülsen
anvulkanisiert sind, die selbst wiederum auf Bolzen oder Zapfen aufgeschoben und
auf diesen gegen Drehung und Herabfallen gesichert sind; die Bolzen oder Zapfen
sind fest mit dem Schwungrad bzw. der Kupplungshülse verbunden und verlaufen parallel
zur Kupplungsachse.
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Die in den Fig. I bis 3 dargestellte Kupplung ist insbesondere für
die Kupplung einer Schiffsmaschine mit der Schiffsschraube oder dem Schiffsschraubengetriebe
geeignet, da die im Leerlauf oder Langsamlauf von der Schiffsschraube aufgenommene
Leistung sehr gering ist, jedoch mit wachsender Maschinendrehzahl rasch ansteigt.
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Die in Fig. 4 und 5 dargestellte Kupplung ist im Prinzip mit der vorangehend
beschriebenen Kupplung gleich. Wie jedoch in Fig. 4 dargestellt, weicht hier die
Stellung der Lenker bei Leerlauf um einen kleinen Winkel von der genauen Radialstellung
ab. Das die treibende Kupplungshälfte .darstellende Schwungrad 2o läuft in der Richtung
des in Fig. q. eingezeichneten Pfeiles um, und es ist ersichtlich, daß die Lenker
derart gegenüber der radialen Stellung geneigt sind, daß sich dieselben, wenn vom
Schwungrad auf die die andere Kupplungshälfte darstellende Hülse 21 ein Drehmoment
übertragen wird, erst in die radiale Stellung bewegen und danach mit weitersteigendem
Drehmoment über die radiale Richtung hinaus auf die andere Seite schwingen.
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Diese Kupplung hat bei kleinen Drehmomenten einen sehr hohen Nachgiebigkeits-
oder Weichheitsgrad und ist dadurch besonders für die Kupplung von Stromerzeugern
mit Dieselmotoren geeignet, die eine sehr niedrige Drehschwingungsfrequenz haben
können.
Hierbei machen es die charakteristischen Eigenschaften einer solchen Kupplung möglich,
die Anlage ohne unzulässige Beanspruchungen oder Geräusche durch die kritische Drehzahl
zu fahren.
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Bei dieser Kupplung sind die Lenker 22 Gesenkschmiedestücke, die an
ihren beiden Enden mit Bohrung versehene Augen aufweisen, in die eine Metallhülse
eingepreßt ist. Die Innenseite dieser eingepreßten Hülsen ist durch Anvulkanisieren
mit der Außenfläche einer Gummibüchse 23 verbunden, deren Innenfläche ebenfalls
durch Anvulkanisieren mit einer konzentrisch zur ersten liegenden Metallhülse a4
verbunden ist. Die am Außenende des Lenkers befindliche Hülse 24 sitzt auf einer
Büchse 25, die mittels eines durch die Büchse und das Schwungrad hindurchgehenden
Schraubenbolzens 26 parallel zur Achse am Schwungrad befestigt ist. Hierbei wird
die Hülse 24 in axialer Richtung zwischen einer am äußeren Ende der Büchse 25 vorgesehenen
Schulter 27 und einem sich an der Stirnfläche des Schwungrades abstützenden Distanzring
28 eingespannt.
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Die am inneren Ende des Lenkers befindliche Hülse 24 ist auf eine
Büchse 29 aufgeschoben, die in eine Bohrung eines Flansches 3o der Kupplungsmuffe
21 eingepaßt ist. Ein an seinem äußeren Ende einen Sechskantkopf 32 aufweisender
Schraubbolzen 31 ist mit seinem inneren Ende in eine kurze, in das innere Ende der
Hülse 24 hineinragende Flanschbüchse 33 eingeschraubt. Die Büchsen 29 und 33 sind
mittels einer an der einen Büchse befindlichen, in eine entsprechende Nut an der
anderen Büchse hineinragenden Keilzunge 34 gegen gegenseitige Drehung gesichert.
Das äußere Ende der Büchse 29 hat einen Sechskantkopf 35, der durch eine mit einem
Sperrlappen versehene Unterlegscheibe 36 gegenüber dem Schraubenkopf 32 auf Drehung
gesichert ist. Die Hülse 24 ist in axialer Richtung zwischen der Schulter der Büchse
33 und der Stirnfläche des Flansches 3o eingespannt.
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Bei der in den Fig. 6, 7 und 8 dargestellten Kupplung ist die treibende
mit der getriebenen Kupplungshälfte durch zwei Paare von sich radial erstreckenden
Lenkern gekuppelt, die im wesentlichen im rechten Winkel zueinander stehen und selbst
mit einem gemeinsamen Zwischenstück verbunden sind. Bei dieser Kupplung ist an jedem
der zu kuppelnden Wellenenden ein Doppelarm 4o angebracht, an deren Enden zu den
Wellenachsen parallele Zapfen 41 vorgesehen sind. Es sind vier Lenker 42 vorgesehen,
deren jeder an seinen beiden Enden eine zylindrische Bohrung aufweist, mit deren
Innenfläche die Außenfläche einer Gummibüchse 43 innig verbunden ist. Die Innenfläche
jeder dieser Gummibüchsen 43 ist mit einer Metallhülse 44 innig verbunden. Die an
den Außenenden jedes Lenkers befindlichen Hülsen 44 sitzen jeweils auf einem Zapfen
41 eines der Kupplungsdoppelarme 40 und sind auf diesem zwischen einem Kopf 45 an
dem Zapfen 41 und einer Schulter oder einem Auge 46 des Doppelarmes eingespannt.
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Die am inneren Ende jedes Lenkers befindliche Hülse 44 sitzt auf einem
sich zwischen zwei parallelen Scheiben oder Platten 48 erstreckenden Zapfen 47.
Diese Platten stellen das erwähnte gemeinsame Zwischenstück dar und spannen die
Hülsen zwischen sich fest.
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Die Lenker mit ihren Gummibüchsen und die das Zwischenstück bildenden
Platten stellen eine Baugruppe dar, die leicht an den Doppelarmen befestigt und
wieder gelöst werden kann.
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Bei einer anderen Ausführungsform könnte das Zwischenstück auch von
einem Ring oder zwei parallelen, außerhalb der Doppelarme liegenden Ringen gebildet
werden. In diesem Fall wären die Hülsen der äußeren Enden der Lenker an den Rippen
zu montieren und die der inneren Enden an den Zapfen der Doppelarme.
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Die Eigenschaften dieser Kupplungsart lassen sie besonders zur Verwendung
zwischen den Antriebsmaschinen und Getrieben schwerer Straßen-oder Schienenfahrzeuge,
z. B. Bergwerkslokomotiven oder Straßenwalzen, geeignet erscheinen. Bei solchen
Fahrzeugen ist es gewöhnlich äußerst schwierig oder gar unmöglich, eine genaue Ausfluchtung
zwischen Antriebsmaschine und Getriebe zu erreichen, und es ist oft kein Platz für
eine an jedem Ende mit einem Wellengelenk ausgestattete Kardanwelle vorhanden. Die
Kupplung gemäß der Erfindung ersetzt eine zwischengeschaltete Kardanwelle in äußerst
gedrängter Form. Überdies läßt das der Kupplung eigene große Ausmaß von Drehfederung
dieselbe besonders für den Gebrauch bei Zwei- oder Dreizylinder-Viertaktdieselmotoren
geeignet erscheinen, bei denen große Schwankungen im Abtriebsdrehmoment auftreten.