WO2015114020A1 - Elastische kupplungsscheibe, kupplungsscheibenstapel und daraus erstellte elastische wellenkupplung - Google Patents

Elastische kupplungsscheibe, kupplungsscheibenstapel und daraus erstellte elastische wellenkupplung Download PDF

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radial
clutch
clutch disc
coupling
shaft coupling
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PCT/EP2015/051732
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Inventor
Giovanni DE MARTINI
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Hackforth Gmbh
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    • F16D3/00—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive
    • F16D3/50—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members
    • F16D3/56—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members comprising elastic metal lamellae, elastic rods, or the like, e.g. arranged radially or parallel to the axis, the members being shear-loaded collectively by the total load
    • F16D3/58—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members comprising elastic metal lamellae, elastic rods, or the like, e.g. arranged radially or parallel to the axis, the members being shear-loaded collectively by the total load the intermediate members being made of rubber or like material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16D3/50—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members
    • F16D3/76—Yielding couplings, i.e. with means permitting movement between the connected parts during the drive with the coupling parts connected by one or more intermediate members shaped as an elastic ring centered on the axis, surrounding a portion of one coupling part and surrounded by a sleeve of the other coupling part
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D2300/00—Special features for couplings or clutches
    • F16D2300/02—Overheat protection, i.e. means for protection against overheating
    • F16D2300/021—Cooling features not provided for in group F16D13/72 or F16D25/123, e.g. heat transfer details
    • F16D2300/0212—Air cooling

Definitions

  • the invention relates to a flexible shaft coupling, in particular a shaft coupling for the compensation of axial, radial and angular offset in a drive train.
  • couplings In the field of elastic shaft couplings, a variety of different types of coupling are known in which two flanges are connected to one another via one or more circumferentially arranged elastic elements such that an axial, radial and / or angular offset can be compensated.
  • Such couplings may e.g. be arranged in marine propulsion between a motor and a propeller to compensate for a radial, axial and / or angular offset between the propeller shaft and the rest of the drive train and to damp torsional vibrations, in particular resonances.
  • DE 10 2005 014 985 A1 shows a diaphragm coupling with two flexurally elastic membrane discs, each having a flange for coupling to a shaft or directly to an aggregate, and which via at least one elastic element, namely a so-called Drehelastikan extract, in an outer radial region connected to each other.
  • the elastic shaft coupling should be able to compensate for a large axial, radial and angular misalignment, while high torques should be transferable.
  • it is an object to design an elastic shaft coupling so that it can be easily adapted to a specific torque and power range.
  • An elastic coupling shaft for an elastic shaft coupling has an inner radial section and an outer radial section, wherein the inner radial section forms an internal interface to a first machine element, such as a hub, and the outer radial section forms an external interface to a second machine element, such as a flange. forms.
  • an intermediate section is provided between the inner and outer radial sections which, together with the radial sections, forms a disk body which has, in a radial direction, an extension which is greater than its extent in an axial direction, the coupling disk being designed for this purpose is to compensate for an axial offset and in addition also a radial and / or angular offset by deformation of the intermediate portion.
  • the formed disk body may have a larger radial extent, but also the intermediate portion itself.
  • the stretched in the radial direction configuration provides good deformability of the clutch disc and thus a good compensation possibility for axial, radial and angular offset. As a result, a good heat exchange between the clutch disc and the environment can be ensured.
  • the risk of heat build-up is reduced within the intermediate section moved by rolling and alternating tensile and compressive forces.
  • a radial portion is preferably a part of the clutch disc to understand, which is located in a radial direction at a certain position of the clutch disc and assumes a certain function.
  • the inner radial section preferably assumes the function of a hub-side interface, and the outer radial section performs the function of a flange-side interface within an elastic shaft coupling.
  • the ratio of radial extent to axial extent of the clutch disc is in the range of 20 to 50.
  • the clutch disc is designed to be comparatively thin, ie larger by a large factor in a y-direction than in an x-direction.
  • the factor may be between 30 and 40.
  • the clutch disk may be designed in the manner of a membrane disk, that is to say with an extent in the y-direction which exceeds an extent in the x-direction by a large factor.
  • the very elongated thin disc shape provides the advantage that a single clutch plate is formed with offset and torque transfer characteristics that move within a narrow tolerance range, whereby the clutch disc can be used in conjunction with other clutch plates to provide flexible shaft couplings for specific applications to realize. This results in a wide field of application.
  • at least the intermediate portion of an elastomeric material By elastomer material in combination with the disc shape, good flexibility and deformability can be ensured in particular also with regard to pressure and shear forces. This is not least of advantage when balancing an angular offset and an axial offset.
  • the intermediate portion is preferably made of a rubber-like material such as polyurethane or rubber.
  • the radial sections are at least partially made of an elastomeric material and are integrally formed with the intermediate portion.
  • the clutch disc substantially completely consists of the elastomeric material and can thus be produced inexpensively as a unitary part.
  • the intermediate portion has a tapered portion.
  • a taper is in the radial direction to the outside.
  • the intermediate portion thus has a decreasing thickness in the radial direction to the outside. It has been found that, in this way, an at least approximately homogeneous shear stress distribution can be achieved on torque loading.
  • the rejuvenation to the outside can provide benefits in heat exchange.
  • the intermediate portion may also be fully tapered, so not only have a tapered portion, but are continuously thinner from the inner radial portion to the outer radial portion.
  • the intermediate section may be thinner in the axial direction than the radial sections.
  • an interface to a coupling hub or a coupling flange can be formed by the abutting radial sections, and at the same time an intermediate space remains between the intermediate sections of adjacent coupling disks.
  • the radial sections each have at least one guide, through which in each case a passage opening is defined.
  • a clutch disc according to the invention can be used in conjunction with other clutch discs to form an elastic shaft coupling. In this case, the clutch plates can come to rest against each other at their respective radial sections.
  • the clutch plates can be arranged in alignment to one another in a simple manner and be arranged in their position relative to each other, without necessarily being firmly connected to each other.
  • the guides arranged on the radial sections are designed as preferably metallic reinforcing rings vulcanized into the elastomeric material of the coupling disk.
  • the clutch disk stack is provided for an elastic shaft coupling and has a plurality of clutch disks according to the invention, wherein the clutch stack has a connecting means, which is arranged in aligned and defined by respective guides of the clutch disks through holes.
  • a coupling can be provided in a simple manner, which has optimized elastic properties even with a high torque to be transmitted and at the same time can be used even at high rotational speeds.
  • the individual clutch discs can be used modularly and thus determine the individual and application-specific structure of the clutch disc stack.
  • the heat dissipation according to the invention can be carried out independently of the torque range to be transmitted.
  • a greater axial, radial and / or angular offset can be compensated by the plurality of clutch discs in the stack compared to prior art couplings with consistently good heat dissipation, and / or with the same torque to be transmitted, a greater degree of deformability can be ensured and / or with the same torque or offset to be transmitted, the clutch can be operated at lower thermal stress, which increases the life of the elastomeric material and allows the transmission of higher power.
  • a stack made up of a plurality of individual disks also provides the advantage of low axial and radial reaction forces as a function of an axial or radial displacement, and also a low reaction torque with angular diffraction, with good displacement capability.
  • the range for the torque to be transmitted can be adjusted, resulting in a linear dependence on the number of clutch plates, resulting in a particularly simple and practical design.
  • a single clutch disc stack is designed to be radially rigid, wherein a radial offset can be compensated by using a plurality of coupled clutch disc stacks, in particular a doppelkardanische arrangement.
  • the clutch discs may be connected to each other, for example, via one or more bolts, which are respectively inserted through a through hole in the clutch discs and guided therein in a guide.
  • the clutch discs may also be jammed together.
  • Another connection between the individual clutch discs is not necessarily required.
  • the clutch discs can compensate for a radial, axial and angular offset, in particular because the connections are preferably provided only in the region of a coupling flange and / or a clutch hub.
  • the clutch disc stack on two radially offset connecting means which are arranged on the inner radial portion and on the externa ßeren radial portion.
  • the clutch disc stack on a spacer element for cooling individual clutch discs.
  • the spacer element is adapted to come between radial portions of clutch plates to the plant and to define a passage through which a heat exchange between a cooling medium (ambient air) and the clutch plates.
  • a cooling medium ambient air
  • the coolant is automatically conveyed radially through the gap between the adjacent clutch discs (similar to a radial fan). This can be done in a simple manner and cost effective cooling of the clutch disc stack.
  • the spacer element may be e.g. be formed of a plurality of individual plate-like part ring elements, which can be mounted independently of each other.
  • a cooling channel which is preferably at least approximately aligned radially.
  • adjacent clutch plates can be formed by the cooling passage, a passage for a cooling medium without spacer elements are required. In the region of the cooling channel, adjacent clutch plates do not touch each other. For example, it is possible to choose two different layer thicknesses of the elastomer material, the smaller layer thickness being, for example, in the range of half the amount of the greater layer thickness. Cooling channels formed in the elastomer material can also form a stack with advantageous ventilation properties in conjunction with one or more spacer elements.
  • An elastic shaft coupling according to the invention has one or more axially arranged in series succession clutch disc stack of the type described above.
  • an elastic shaft coupling can be formed from a plurality of individual, in particular identical, clutch disks, which consist entirely or at least substantially of an elastomer material.
  • both an axial offset and a radial and angular offset in a drive train can be compensated. Due to the serial arrangement of a plurality of clutch plates, a modular adaptation and optimization of the elastic compensation properties and / or the damping properties of the elastic shaft coupling can be carried out in a simple manner.
  • the shaft coupling on a first clutch disc stack and a second clutch disc stack which are coupled together via an intermediate shaft.
  • Two clutch disc stacks also allow a radial displacement, even if the individual clutch disc stacks are made radially stiff. Such an arrangement may be referred to as a displacement clutch.
  • it offers advantages if it causes the least possible restoring forces and moments even at large misalignments, in particular to load bearings of connected units (eg crankshaft bearings of an engine, bearings of a transmission input shaft, bearings of a generator) as little as possible.
  • Figure 1 a is a sectional view of a part of a
  • Figure 1 b is a sectional view of part of a
  • Figure 2 is a sectional view of a part of a
  • Figure 3 is a sectional view of a part of a
  • Figure 5a is a sectional view of a part of a
  • Figure 5b is a sectional view of a part of a
  • FIG. 6 shows a detail view according to the section A-A indicated in FIG. 5b;
  • Figure 7 is a detail view of an interface between two indirectly adjacent clutch disc stacks;
  • Fig. 8 is a sectional view of a part of a
  • FIG. 1 a a part of a total annular clutch disc 10 is shown with respect to a symmetry axis S.
  • the clutch disc 10 is formed by an inner radial portion 1 1, an adjoining intermediate portion 12 and an adjoining outer radial portion 13.
  • the intermediate section 12 has a smaller extension in an x-direction than the wheel sections 11, 13.
  • the intermediate section 12 has a greater extent in ay-direction than the extension of the radial sections 11, 13 and is preferably at least as well long in the y-direction as the radial sections 1 1, 13, preferably even longer.
  • FIG. 1 b shows the manner in which a plurality of clutch disks 10 may form a clutch disk stack 20 or a clutch disk stack system 20A.
  • Ten clutch plates 10 bear with their radial sections 1 1, 13 to each other and form a clutch disc stack 20, wherein between the intermediate portions 12 of adjacent clutch plates 10 each have a cavity K is formed, which can serve a heat dissipation, which in connection with FIG. 6 is described in more detail.
  • the intermediate elements 24 may each be formed from a single part or from several parts.
  • Clutch disk stacking system 20A includes a clutch hub side interface 22 and a clutch flange side interface 23 that are substantially formed by respective portions of individual clutch disks 10.
  • Fig. 2 it is shown how the clutch disc stacking system 20A can compensate for an offset in an x-direction.
  • the clutch disc stack system 20A is disposed between a first machine element, eg, a shaft hub 2, and a second machine element, eg, a flange 3 of a generator.
  • the hub 2 and the flange 3 are indicated in FIG. 2 only highly schematized and not fully illustrated.
  • a force T is applied, which leads to a shear stress in the xy plane and displaces the hub-side interface 22 in the x direction relative to the flange-side interface 23.
  • An elastic deformation takes place in the intermediate section 12.
  • the clutch disk stacking system 20A can compensate for offset in a y-direction in addition to an offset in an x-direction. This corresponds to an angular offset.
  • the deformed region of the clutch disc stack system 20A is in turn essentially limited to the intermediate sections 12. Where the interfaces 22 and 23 are moved towards each other, a compressive force prevails in the intermediate sections 12, inter alia, where the interfaces 22 and 23 move away from each other be, prevails in the intermediate sections 12, inter alia, a tensile force.
  • an elastic shaft coupling 1 is shown, which is composed of two clutch disc stack systems 20A and an intermediate shaft 20.
  • the clutch disk stack systems 20A each have four clutch disk stacks 20 coupled to each other.
  • the clutch disk stack systems 20A are each provided with a flange cover 40 and a End ring 31 held in position.
  • a coupling in the manner of a universal joint can be provided.
  • a clutch disc 10 is shown, in which an intermediate portion 12 is provided between an outer radial portion 13 and an inner radial portion 1 1, which has a greater extent in the y-direction than the radial sections 1 1, 13, and which Tapered in the y direction to a smaller thickness, so a smaller extension in the x direction.
  • the radial sections 11, 13 are essentially defined by the sections in which the clutch disc 10 extends exactly in the y direction, ie in a plane perpendicular to the x direction. In these radial sections 1 1, 13, a plurality of clutch plates 10 can come into contact with each other, as shown in Fig. 5b.
  • the taper 12a of the intermediate section 12 initially runs at least approximately linearly from inside to outside and ends shortly before the outer radial section 13 in a radius r or an elliptical, parabolic or hyperbolic section through which the intermediate section 12 widens again, that is widening to the width of the outer radial portion 13 and goes into this.
  • a drop-shaped cavity is formed between two adjacent clutch plates 10 between them, as shown in Fig. 5b.
  • the clutch disc 10 has a first guide 16 and a second guide 17, through which a first passage opening 16a and a second passage opening 17a is fixed.
  • a connecting means such as a bolt may be guided to center each other adjacent clutch plates 10 to each other or to prevent a relative movement in the circumferential direction or generally in an xz-plane.
  • the guides 16, 17 may be vulcanized and arranged on a bolt circle at regular intervals in the circumferential direction. In this case, they are preferably sleeve-like or bush-shaped. However, they can also be designed, for example, as circumferential reinforcing rings and have through holes for fixing the through openings 16a, 17a at the corresponding points.
  • the clutch disc 10 extends from the axis of symmetry S over the distance y10 in the y direction.
  • the extension of the intermediate section 12 over the distance y12 in y-direction is big in relation to the amount y10.
  • the ratio of y12 to y10 is above 0.2, more preferably above 0.3. This ensures good flexibility.
  • the intermediate section 12 preferably has a radial extension y12, which is greater by a factor between 3 and 8 or at most 10 than an extension x10 of the clutch disk 10 in the x direction, ie a thickness of the clutch disk 10.
  • the thickness x10 is in the range of 5 mm when the radial extent y12 is in the range of 25 mm.
  • a clutch disc stack 20 is shown consisting of ten clutch plates 10, wherein in the region of a clutch ring 23 and in the region of a clutch hub 22, the clutch plates 10 are each arranged with through holes 16a, 17a in alignment with each other.
  • a connecting means 21 may be provided, for example a bolt with a projection at one end and an external thread at the other end.
  • the connecting means 21 can ensure that the power transmission from the interfaces 22 and 23 to machine components arranged thereon is uniform.
  • the clutch disk stack 20 can be coupled, for example, as shown in FIG. 1 b, with further clutch disk stacks 20, which then have an approximately ten times as large extension x20a in the x direction as the single clutch disc 10.
  • the clutch disk stack 20 shown in FIG. 5b has a spacer element 25, which is provided centrally between five clutch disks 10 arranged to the right thereof and five to the left thereof.
  • the spacer element 25 has a thickness x1 (FIG.
  • the spacer 25 cooling air can not only be provided between two clutch plates 10, but also enter from the clutch hub 22 in the clutch disc stack 20 and flow past two clutch plates 10 and escape sideways on the flange-side interface 23 from the clutch disc stack 20. This ensures a very effective heat exchange.
  • the spacer element 25 is formed of a plurality of individually mountable ring sections, which can be arranged on a clutch disc 10, that the cooling air must follow a defined path to flow past the clutch plates can, as shown in more detail in Fig. 6.
  • FIG. 6 shows a partial section of a cut spacer element 25 in a plan view.
  • the surface of the spacer element 25 is structured by two protruding parts, in particular ring sections 25a, 25a.1, 25a.2, between which cooling air can be conducted along a path P.
  • the protruding parts 25a.1, 25a.2 extend in a circle-segment-shaped and annular manner, but have interruptions in the circumferential direction, whereby passages 25b, 25b.1, 25b.2 are formed. Cooling air can flow radially outwards along the path P outlined above, but it is forced to move in the circumferential direction due to the angular offset between the individual passages 25b.1, 25b.2.
  • the angular offset is 45 degrees in the example shown. It has been found that a good compromise between flow velocity and contact time of the cooling air with the adjacent clutch disc 10 can be achieved thereby.
  • the protruding parts 25a, 25a.1, 25a.2 are expediently provided at a radial distance from a center which corresponds to the radial distance of the inner and outer radial sections of the clutch disc 10, so that the spacer element 25 at the radial sections of two clutch plates 10 can abut and also by corresponding through holes 16, 17 can be centered with respect to the clutch discs 10.
  • FIG. 7 shows in detail that the spacer element 25 is present in the sectional view in the region of the inner radial section 11, but not in the region of the outer radial section 13.
  • the spacer element 25 has at least two passages or determines this by its arrangement or its structure, and the passages are arranged at an angle offset to each other.
  • the spacer element 25 has analogous to the guides 16, 17 of the clutch disc 10 has a passage whose diameter y1 corresponds to the inner diameter of the guides.
  • the extent x10 of the clutch disk 10 in the x direction is significantly greater than the extent of the spacer element 25 in the x direction.
  • the guides 16, 17 are vulcanized and spaced from each end face of the clutch disc 10 by an amount x2, so that not guides come into contact with each other, but the elastomer body itself. It has been found that it is expedient if the distance x2 approximately in Range of 10 to 20 percent of the thickness x10 of the clutch disc 10 is located.
  • FIG. 8 shows a clutch disk 10, which essentially has the structure of the clutch disk 10 shown in FIG. 5a, cooling channels 18 (in the inner radial portion 11 and on the outer wheel portion 13 on both sides of the disk 10 in individual circumferential segments). Ventilation channels) are formed (indicated by the dashed lines) by a radial portions 1 1, 13 covering elastomeric material in individual circumferential segments of the clutch disc 10, the radial sections 1 1, 13 covered with a thinner layer thickness than in adjacent circumferential segments.
  • the circumferential segments can be selected, for example, distributed rotationally symmetrically over the entire circumference, for example in the sum of six or eight cooling channels, or else only a single or asymmetrically distributed cooling channels can be provided.
  • a ventilation geometry is configured directly in the elastomer material or in the vulcanization, which can take place, for example, during vulcanization itself.
  • cooling medium in particular air
  • the elastomeric material sections also completely missing, especially in the range of in the radial sections 1 1, 13 arranged guides 16, 17, so that cooling medium is guided directly along the guides 16, 17.
  • particularly large or deep cooling channels 18 can be realized for a high throughput of cooling medium.
  • 12 intermediate section, in particular 12a tapers rejuvenation or tapered part

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elastische Kupplungsscheibe (10) für eine elastische Wellenkupplung (1), mit einem inneren Radialabschnitt (11) und einem äußeren Radialabschnitt (13), wobei der innere Radialabschnitt (11) eine innenliegende Schnittstelle zu einem ersten Maschinenelement, insbesondere einer Nabe, bildet und der äußere Radialabschnitt (13) eine außenliegende Schnittstelle zu einem zweiten Maschinenelement, insbesondere einem Flansch, bildet. Aufgabe der Erfindung ist, eine verbesserte elastische Wellenkupplung bereitzustellen. Die elastische Wellenkupplung soll in der Lage sein, einen großen axialen, radialen und winkeligen Versatz auszugleichen, wobei gleichzeitig hohe Drehmomente übertragbar sein sollen. Nicht zuletzt ist es Aufgabe, eine elastische Wellenkupplung so zu konzipieren, dass sie auf einfache Weise an einen bestimmten Drehmoment- und Leistungsbereich angepasst werden kann. Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, dass zwischen dem inneren und äußeren Radialabschnitt ein Zwischenabschnitt (12) vorgesehen ist, welcher zusammen mit den Radialabschnitten (11, 13) einen Scheibenkörper bildet, der in einer radialen Richtung eine Erstreckung aufweist, die größer ist als seine Erstreckung in einer axialen Richtung, wobei die Kupplungsscheibe (10) dazu ausgebildet ist, einen axialen Versatz, einen radialen und/oder winkeligen Versatz durch Verformung des Zwischenabschnitts (12) auszugleichen. Außerdem betrifft die Erfindung eine elastische Wellenkupplung mit einem oder mehreren axial in Reihe hintereinander angeordneten Kupplungsscheibenstapeln (20) aus solchen Kupplungsscheiben.

Description

Elastische Kupplungsscheibe. Kupplunasscheibenstapel
und daraus erstellte elastische Wellenkupplung
Die Erfindung betrifft eine elastische Wellenkupplung, insbesondere eine Wellenkupplung für den Ausgleich von axialem, radialem und winkeligem Versatz in einem Antriebsstrang.
Auf dem Gebiet der elastischen Wellenkupplungen sind eine Vielzahl unterschiedlicher Kupplungstypen bekannt, bei welchen zwei Flansche über ein oder mehrere über den Umfang angeordnete elastische Elemente derart miteinander verbunden sind, dass ein axialer, radialer und/oder winkeliger Versatz ausgeglichen werden kann. Solche Kupplungen können z.B. in Schiffsantrieben zwischen einem Motor und einem Propeller angeordnet sein, um einen radialen, axialen und/oder winkeligen Versatz zwischen Propellerwelle und übrigem Antriebsstrang auszugleichen und um Drehschwingungen, insbesondere Resonanzen zu dämpfen.
Die DE 10 2005 014 985 A1 zeigt eine Membrankupplung mit zwei biegeelastischen Membranscheiben, welche jeweils einen Flansch zur Kopplung an eine Welle oder direkt an ein Aggregat aufweisen, und welche über mindestens ein elastisches Element, nämlich eine so genannte Drehelastikanordnung, in einem äußeren radialen Bereich miteinander verbunden sind.
Aufgabe ist, eine verbesserte elastische Wellenkupplung bereitzustellen. Die elastische Wellenkupplung soll in der Lage sein, einen großen axialen, radialen und winkeligen Versatz auszugleichen, wobei gleichzeitig hohe Drehmomente übertragbar sein sollen. Nicht zuletzt ist es Aufgabe, eine elastische Wellenkupplung so zu konzipieren, dass sie auf einfache Weise an einen bestimmten Drehmoment- und Leistungsbereich angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine elastische Kupplungsscheibe gemäß Anspruch 1 und einen Kupplungsscheibenstapel gemäß dem entsprechenden nebengeordneten Anspruch sowie durch eine elastische Wellenkupplung gemäß dem entsprechenden nebengeordneten Anspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine elastische Kupplungsscheibe für eine elastische Wellenkupplung weist einen inneren Radialabschnitt und einen äußeren Radialabschnitt auf, wobei der innere Radialabschnitt eine innenliegende Schnittstelle zu einem ersten Maschinenelement, wie einer Nabe, bildet und der äußere Radialabschnitt eine außenliegende Schnittstelle zu einem zweiten Maschinenelement, wie einem Flansch, bildet. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass zwischen dem inneren und äußeren Radialabschnitt ein Zwischenabschnitt vorgesehen ist, welcher zusammen mit den Radialabschnitten einen Scheibenkörper bildet, der in einer radialen Richtung eine Erstreckung aufweist, die größer ist als seine Erstreckung in einer axialen Richtung, wobei die Kupplungsscheibe dazu ausgebildet ist, einen axialen Versatz und zusätzlich auch einen radialen und/oder winkeligen Versatz durch Verformung des Zwischenabschnitts auszugleichen.
Nicht nur der gebildete Scheibenkörper kann eine größere radiale Erstreckung aufweisen, sondern auch der Zwischenabschnitt selbst. Die in radialer Richtung gestreckte Ausgestaltung liefert eine gute Verformbarkeit der Kupplungsscheibe und damit eine gute Ausgleichsmöglichkeit für axialen, radialen und winkeligen Versatz. Hierdurch kann auch ein guter Wärmeaustausch zwischen der Kupplungsscheibe und der Umgebung sichergestellt werden. Bei der geringen Dicke des Scheibenkörpers ist die Gefahr eines Wärmestaus innerhalb des durch Walken und wechselnde Zug- und Druckkräfte bewegten Zwischenabschnitts reduziert. Durch geeignete flexible Wahl der Anzahl der Kupplungsscheiben können die im Antriebsstrang auftretenden Resonanzfrequenzen in einen Frequenzbereich verschoben werden, welcher außerhalb eines durch die Drehzahl definierten Frequenzbereichs liegt. Als Radialabschnitt ist bevorzugt ein Teil der Kupplungsscheibe zu verstehen, welcher sich in einer radialen Richtung an einer bestimmten Position der Kupplungsscheibe befindet und eine bestimmte Funktion übernimmt. Bevorzugt übernimmt der innere Radialabschnitt die Funktion einer nabenseitigen Schnittstelle und der äußere Radialabschnitt die Funktion einer flanschseitigen Schnittstelle innerhalb einer elastischen Wellenkupplung.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt das Verhältnis von radialer Erstreckung zu axialer Erstreckung der Kupplungsscheibe im Bereich von 20 bis 50. Mit anderen Worten ist die Kupplungsscheibe vergleichsweise dünn ausgeführt, also um einen großen Faktor größer in einer y-Richtung als in einer x-Richtung. Der Faktor liegt z.B. bevorzugt zwischen 30 bis 40. Dadurch kann die Kupplungsscheibe in der Art einer Membranscheibe ausgebildet sein, also mit einer Erstreckung in y-Richtung, die eine Erstreckung in x-Richtung um einen großen Faktor übersteigt. Die sehr gestreckte dünne Scheibenform liefert den Vorteil, dass eine einzelne Kupplungsscheibe mit Eigenschaften in Bezug auf Versatz und Drehmomentübertragung ausgebildet ist, die sich in einem engen Toleranzbereich bewegen, wodurch die Kupplungsscheibe in Verbindung mit weiteren Kupplungsscheiben eingesetzt werden kann, um elastische Wellenkupplungen für spezifische Anwendungsfälle zu realisieren. Es ergibt sich ein breites Einsatzgebiet. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht zumindest der Zwischenabschnitt aus einem Elastomermaterial. Durch Elastomermaterial in Kombination mit der Scheibenform kann insbesondere auch in Bezug auf Druck- und Scherkräfte eine gute Flexibilität und Verformbarkeit sichergestellt werden. Dies ist nicht zuletzt von Vorteil beim Ausgleich eines Winkelversatzes und eines axialen Versatzes. Der Zwischenabschnitt besteht bevorzugt aus einem gummiähnlichen Material wie z.B. Polyurethan oder Kautschuk. Diese Materialien eignen sich gut für den Ausgleich von Versatz, wenn gleichzeitig ein Drehmoment übertragen werden soll. Es hat sich gezeigt, dass diese Materialien selbst bei sehr dünnen Kupplungsscheiben verwendbar sind, insbesondere wenn diese in axialer Richtung in Reihe hintereinander in einer größeren Anzahl in eine Wellenkupplung angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel bestehen auch die Radialabschnitte zumindest teilweise aus einem Elastomermaterial und sind mit dem Zwischenabschnitt einstückig ausgebildet. Mit anderen Worten besteht die Kupplungsscheibe im Wesentlichen vollständig aus dem Elastomermaterial und kann damit als einheitliches Teil kostengünstig hergestellt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Zwischenabschnitt einen verjüngten Teil auf. Bevorzugt liegt eine Verjüngung in radialer Richtung nach außen vor. Der Zwischenabschnitt weist also in radialer Richtung nach außen eine abnehmende Dicke auf. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch bei Drehmomentbelastung zum einen eine zumindest annähernd homogene Schubspannungsverteilung erzielt werden kann. Zum anderen kann die Verjüngung nach außen Vorteile beim Wärmeaustausch liefern. Gemäß einer Variante kann der Zwischenabschnitt auch vollständig verjüngt sein, also nicht nur einen verjüngten Teil aufweisen, sondern vom inneren Radialabschnitt bis hin zum äußeren Radialabschnitt kontinuierlich dünner werden. Gemäß einer Variante kann der Zwischenabschnitt in axialer Richtung dünner sein als die Radialabschnitte. Hierdurch kann bei einer Vielzahl hintereinander angeordneter Kupplungsscheiben eine Schnittstelle zu einer Kupplungsnabe bzw. einem Kupplungsflansch durch die aneinander anliegenden Radialabschnitte gebildet werden, und gleichzeitig verbleibt ein Zwischenraum zwischen den Zwischenabschnitten benachbarter Kupplungsscheiben. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die Radialabschnitte jeweils mindestens eine Führung auf, durch welche jeweils eine Durchgangsöffnung definiert ist. Eine erfindungsgemäße Kupplungsscheibe kann in Verbindung mit weiteren Kupplungsscheiben eingesetzt werden, um eine elastische Wellenkupplung zu bilden. Dabei können die Kupplungsscheiben an ihren jeweiligen Radialabschnitten aneinander zur Anlage kommen. Durch eine Führung in den Radialabschnitten können die Kupplungsscheiben auf einfache Weise zueinander fluchtend angeordnet werden und in ihrer Lage zueinander definiert angeordnet werden, ohne notwendigerweise fest miteinander verbunden zu sein. Dies liefert Vorteile bei der Auslegung und gewährleistet eine vorteilhafte Modularität. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die an den Radialabschnitten angeordneten Führungen als vorzugsweise metallische, in das Elastomermaterial der Kupplungsscheibe einvulkanisierte Verstärkungsringe ausgebildet. Hierdurch kann der Kupplungsscheibe in einem eingebauten Zustand eine große Stabilität und Lagegenauigkeit verliehen werden. Au ßerdem können Schnittstellenprobleme wie Rissbildung oder Delamination weitgehend ausgeschlossen werden.
Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird wie erwähnt auch durch einen Kupplungsscheibenstapel gemäß dem entsprechenden nebengeordneten Anspruch gelöst. Der Kupplungsscheibenstapel ist für eine elastische Wellenkupplung vorgesehen und weist eine Mehrzahl von erfindungsgemäßen Kupplungsscheiben auf, wobei der Kupplungsstapel ein Verbindungsmittel aufweist, welches in miteinander fluchtenden und durch jeweilige Führungen der Kupplungsscheiben definierte Durchgangsöffnungen angeordnet ist.
Durch einen erfindungsgemäßen Kupplungsscheibenstapel kann auf einfache Weise eine Kupplung bereitgestellt werden, welche auch bei einem hohen zu übertragenden Drehmoment optimierte elastische Eigenschaften aufweist und gleichzeitig auch bei hohen Drehzahlen eingesetzt werden kann. Denn die einzelnen Kupplungsscheiben können modular verwendet werden und so den individuellen und anwendungsspezifischen Aufbau des Kupplungsscheibenstapels festlegen. Mit Vorteil kann z.B. die Wärmeabfuhr erfindungsgemäß unabhängig von dem zu übertragenen Drehmomentbereich erfolgen. War es bisher üblicherweise erforderlich, mit steigendem Drehmoment- und steigender Leistungsübertragung eine massivere Kupplung mit mehr Masse an Elastomermaterial vorzusehen und entsprechend angepasste Vorkehrungen für eine ausreichende Wärmeabfuhr zu treffen, kann durch den Einsatz eines Kupplungsscheibenstapels, bei welchem eine Wärmeabfuhr an jeder einzelnen der Vielzahl an Kupplungsscheiben erfolgt, das Problem der Wärmeabfuhr auf gleichbleibende und äu ßert einfache und zuverlässige Weise gelöst werden. Dabei war es bisher auch nachteilig, dass mit höherer Masse an Elastomermaterial meist auch Einbu ßen hinsichtlich des Grades der Verformbarkeit hingenommen werden mussten. Auch dieses Problem kann durch eine Mehrzahl von Kupplungsscheiben gemäß der Erfindung gelöst werden, die auch im Stapelverbund zumindest annähernd noch dieselbe Flexibilität liefern wie die einzelne Kupplungsscheibe. Mit anderen Worten kann durch die Mehrzahl von Kupplungsscheiben im Stapel im Vergleich zu vorbekannten Kupplungen bei gleichbleibend guter Wärmeabfuhr ein größerer axialer, radialer und/oder winkeliger Versatz ausgeglichen werden, und/oder bei gleichem zu übertragenden Drehmoment kann eine größerer Grad der Verformbarkeit sichergestellt werden, und/oder bei gleichem zu übertragenden Drehmoment oder Versatz kann die Kupplung bei geringerer thermischer Beanspruchung betrieben werden, was die Lebensdauer des Elastomermaterials erhöht und die Übertragung höherer Leistungen ermöglicht.
Ein aus mehreren einzelnen Scheiben aufgebauter Stapel liefert bei guter Verlagerungsfähigkeit auch den Vorteil geringer axialer und radialer Reaktionskräfte in Abhängigkeit einer axialen oder radialen Verlagerung, und auch eines geringen Reaktionsmoment bei winkeliger Beugung. Über die Anzahl der Kupplungsscheiben kann der Bereich für das zu übertragende Drehmoment eingestellt werden, wobei sich eine lineare Abhängigkeit von der Anzahl der Kupplungsscheiben ergibt, was zu einer besonders einfachen und praktikablen Auslegung führt.
Bevorzugt ist ein einzelner Kupplungsscheibenstapel radial steif ausgeführt, wobei ein Radialversatz durch Verwendung von mehreren miteinander gekoppelten Kupplungsscheibenstapeln, insbesondere eine doppelkardanische Anordnung, ausgeglichen werden kann. Die Kupplungsscheiben können z.B. über einen oder mehrere Bolzen miteinander verbunden sein, welche jeweils durch eine Durchgangsöffnung in den Kupplungsscheiben gesteckt und darin in einer Führung geführt sind. Wahlweise können die Kupplungsscheiben auch miteinander verklemmt sein. Eine weitere Verbindung zwischen den einzelnen Kupplungsscheiben ist nicht notwendigerweise erforderlich. Die Kupplungsscheiben können trotz dieser Verbindung einen radialen, axialen und winkeligen Versatz ausgleichen, insbesondere weil die Verbindungen bevorzugt nur im Bereich eines Kupplungsflansches und/oder einer Kupplungsnabe vorgesehen sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist der Kupplungsscheibenstapel zwei radial zueinander versetzte Verbindungsmittel auf, die an dem inneren Radialabschnitt und an dem äu ßeren Radialabschnitt angeordnet sind.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Kupplungsscheibenstapel ein Distanzelement zum Kühlen einzelner Kupplungsscheiben auf. Das Distanzelement ist dazu ausgebildet, zwischen Radialabschnitten von Kupplungsscheiben zur Anlage zu kommen und einen Durchlass festzulegen, über den ein Wärmeaustausch zwischen einem Kühlmedium (Umgebungsluft) und den Kupplungsscheiben erfolgt. Bei Rotation des Kupplungsscheibenstapels erfolgt automatisch eine Förderung des Kühlmediums radial durch den Zwischenraum zwischen den benachbarten Kupplungsscheiben (ähnlich wie bei einem Radialgebläse). Hierdurch kann auf einfache Weise und kostengünstig eine sehr effektive Kühlung des Kupplungsscheibenstapels erfolgen. Das Distanzelement kann dabei z.B. aus einer Vielzahl von einzelnen plattenartigen Teilringelementen gebildet sein, die auch unabhängig voneinander montierbar sein können.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel besteht bei wenigstens einer der Kupplungsscheiben der Zwischenabschnitt aus einem Elastomermaterial, welches den inneren Radialabschnitt und/oder den äu ßeren Radialabschnitt teilweise bedeckt und/oder mit mindestens zwei unterschiedlichen Schichtstärken bedeckt, wobei am inneren Radialabschnitt und/oder am äu ßeren Radialabschnitt im Elastomermaterial ein Kühlkanal ausgebildet ist, der bevorzugt zumindest annähernd radial ausgerichtet ist. Hierdurch kann eine Ventilationsgeometrie durch die einzelnen Kupplungsscheiben selbst bereitgestellt werden. Ein Kühlkanal kann bereits bei der Herstellung, insbesondere Vulkanisation, der Kupplungsscheibe im Elastomermaterial ausgebildet werden. Bei aneinanderliegenden Kupplungsscheiben kann durch den Kühlkanal ein Durchlass für ein Kühlmedium gebildet werden, ohne dass Distanzelemente erforderlich sind. Im Bereich des Kühlkanals berühren sich aneinander anliegende Kupplungsscheiben nicht. Es können z.B. zwei unterschiedliche Schichtstärken des Elastomermaterials gewählt werden, wobei die kleinere Schichtstärke z.B. im Bereich der Hälfte des Betrags der größeren Schichtstärke liegt. Im Elastomermaterial ausgebildete Kühlkanäle können auch in Verbindung mit einem oder mehreren Distanzelementen einen Stapel mit vorteilhaften Ventilationseigenschaften bilden.
Eine erfindungsgemäße elastische Wellenkupplung weist einen oder mehrere axial in Reihe hintereinander angeordnete Kupplungsscheibenstapel der oben beschriebenen Art auf. Mit anderen Worten kann eine elastische Wellenkupplung aus einer Vielzahl von einzelnen, insbesondere identischen Kupplungsscheiben gebildet werden, die vollständig oder zumindest in wesentlichen Teilen aus einem Elastomermaterial bestehen. Hierdurch können sowohl ein axialer Versatz als auch ein radialer und winkeliger Versatz in einem Antriebsstrang ausgeglichen werden. Durch die serielle Anordnung einer Mehrzahl von Kupplungsscheiben kann auf einfache Weise eine modulare Anpassung und Optimierung der elastischen Ausgleichseigenschaften und/oder der Dämpfungseigenschaften der elastischen Wellenkupplung erfolgen.
Mittels des Kupplungsscheibenstapels bzw. des Scheibenprinzips kann eine hohe Verlustleistung der Wellenkupplung sichergestellt werden, also eine gute Fähigkeit, die aus Dämpfungsarbeit (innerer Reibung) entstehende Wärme an die Umgebung abzugeben, insbesondere da eine jeweilige Scheibe vergleichsweise dünn ausgeführt ist und beim Elastomermaterial ein großes Verhältnis von Oberfläche pro Volumen realisiert werden kann.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Wellenkupplung einen ersten Kupplungsscheibenstapel und einen zweiten Kupplungsscheibenstapel auf, die über eine Zwischenwelle miteinander gekoppelt sind. Hierdurch kann bei geringer Einbaulänge eine Art doppelkardanisches Gelenk bereitgestellt werden, und es ergeben sich durch den kurzbauenden Aufbau der Wellenkupplung viele Anwendungsmöglichkeiten, auch bei beengten Platzverhältnissen. Zwei Kupplungsscheibenstapel ermöglichen dabei auch eine radiale Verlagerung, selbst wenn die einzelnen Kupplungsscheibenstapel radial steif ausgeführt sind. Eine solche Anordnung kann als Verlagerungskupplung bezeichnet werden. Sie bietet vor allem dann Vorteile, wenn sie auch bei großem Versatz möglichst geringe Rückstellkräfte und -momente hervorruft, insbesondere um Lager von angeschlossenen Aggregaten (z.B. Kurbelwellenlager eines Motors, Lager einer Getriebeeingangswelle, Lager eines Generators) so wenig wie möglich zu belasten.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren wird die Erfindung im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 a eine Schnittansicht eines Teils einer
Kupplungsscheibe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 1 b eine Schnittansicht eines Teils einer
Baugruppe aus mehreren Kupplungsscheibenstapeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine Schnittansicht eines Teils einer
Baugruppe aus mehreren Kupplungs- scheibenstapelen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem belasteten und in axialer Richtung verformten Zustand;
Figur 3 eine Schnittansicht eines Teils einer
Baugruppe aus mehreren Kupplungsscheibenstapeln gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem belasteten und sowohl in axialer als auch radialer Richtung verformten Zustand; Figur 4 eine schematische teilweise geschnittene
Darstellung einer Einbausituation einer elastische Wellenkupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit mehreren Kupplungsscheibenstapeln, wobei die elastische Wellenkupplung in ganzer radialer Erstreckung gezeigt ist;
Figur 5a eine Schnittansicht eines Teils einer
Kupplungsscheibe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 5b eine Schnittansicht eines Teils einer
Baugruppe aus mehreren Kupplungsscheiben gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Figur 6 eine Detailansicht gemäß dem in Fig. 5b angedeuteten Schnitt A-A; Figur 7 eine Detailansicht einer Schnittstelle zwischen zwei mittelbar aneinander anliegenden Kupplungsscheibenstapeln; und
Fig. 8 eine Schnittansicht eines Teils einer
Kupplungsscheibe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In der Fig. 1 a ist ein Teil einer insgesamt kreisringförmigen Kupplungsscheibe 10 gezeigt, mit Bezug zu einer Symmetrieachse S. Die Kupplungsscheibe 10 ist durch einen inneren Radialabschnitt 1 1 , einen daran anschließenden Zwischenabschnitt 12 und einen daran anschließenden äußeren Radialabschnitt 13 gebildet. Der Zwischenabschnitt 12 weist in einer x-Richtung eine geringere Erstreckung auf als die Radabschnitte 1 1 , 13. Der Zwischenabschnitt 12 weist in einer y-Richtung im Vergleich zu der Erstreckung der Radialabschnitte 1 1 , 13 eine größere Erstreckung auf und ist bevorzugt mindestens ebenso lang in y- Richtung wie die Radialabschnitte 1 1 , 13, bevorzugt sogar länger. In der Fig. 1 b ist gezeigt, auf welche Weise mehrere Kupplungsscheiben 10 einen Kupplungsscheibenstapel 20 bzw. ein Kupplungsscheibenstapelsystem 20A bilden können. Zehn Kupplungsscheiben 10 liegen mit ihren Radialabschnitten 1 1 , 13 aneinander an und bilden einen Kupplungs- scheibenstapel 20, wobei zwischen den Zwischenabschnitten 12 von aneinander anliegenden Kupplungsscheiben 10 jeweils eine Kavität K gebildet ist, welche einer Wärmeabfuhr dienen kann, was im Zusammenhang mit Fig. 6 näher beschrieben ist. In der Summe liegen drei Kupplungsscheibenstapel 20 mit jeweils zehn Kupplungsscheiben 10 vor, die jeweils über ein Zwischenelement 24 aneinander gekoppelt sind, so dass ein Kupplungsscheibenstapelsystem 20A mit einer im Vergleich zu der Erstreckung einer einzelnen Kupplungsscheibe 10 größeren Erstreckung in x-Richtung gebildet ist. Die Zwischenelemente 24 können jeweils aus einem einzelnen Teil oder aus mehreren Teilen gebildet sein. Bevorzugt sind sie aus zwei Teilen gebildet, nämlich einem an den äußeren Radialabschnitten 13 anliegenden Teil und einem an den inneren Radialabschnitten 1 1 anliegenden Teil. Das Kupplungsscheibenstapelsystem 20A weist eine kupplungsnabenseitige Schnittstelle 22 und eine kupplungsflanschseitige Schnittstelle 23 auf, welche im Wesentlichen durch die entsprechenden Abschnitte der einzelnen Kupplungsscheiben 10 gebildet sind.
In der Fig. 2 ist gezeigt, auf welche Weise das Kupplungsscheibenstapelsystem 20A einen Versatz in einer x-Richtung ausgleichen kann. Das Kupplungsscheibenstapelsystem 20A ist zwischen einem ersten Maschinenelement, z.B. einer Wellennabe 2, und einem zweiten Maschinenelement, z.B. einem Flansch 3 eines Generators, angeordnet. Die Nabe 2 und der Flansch 3 sind in der Fig. 2 nur stark schematisiert angedeutet und auch nicht vollständig dargestellt. Es liegt eine Kraft T an, die zu einer Schubspannung in der x-y-Ebene führt und die nabenseitige Schnittstelle 22 in x-Richtung gegenüber der flanschseitigen Schnittstelle 23 verlagert. Eine elastische Verformung erfolgt in dem Zwischenabschnitt 12. Bei allen Kupplungsscheiben 10 liegt eine vergleichbare Verformung vor, die in diesem Beispiel der Geometrie der Kupplungsscheiben 10 folgend durch eine Biegung im Bereich des Übergangs von den Radialabschnitten 1 1 , 13 zu dem Zwischenabschnitt 12 ermöglicht wird, wobei die Zwischenabschnitte 12 selbst weitgehend unverformt bleiben und ihre parallele Lage zueinander zumindest annähernd beibehalten. Hierdurch bleibt das Volumen der jeweiligen Kavitäten K weitgehend unverändert, was vorteilhaft ist im Hinblick auf die Wärmeabfuhr. Die Radialabschnitte 1 1 , 13 sowie die Zwischenelemente 24 behalten ihre ursprüngliche Geometrie bei. Durch die synchrone und identische Beanspruchung der Kupplungsscheiben 10 kann die übertragbare oder übertragene Reaktionskraft auf einfache Weise durch Aufsummieren der an einer einzelnen Kupplungsscheibe 10 wirkenden Reaktionskräfte bestimmt werden. In der Fig. 3 ist gezeigt, auf welche Weise das Kupplungsscheibenstapelsystem 20A zusätzlich zu einem Versatz in einer x-Richtung auch einen Versatz in einer y-Richtung ausgleichen kann. Dies entspricht einem Winkelversatz. Der verformte Bereich des Kupplungsscheibenstapelsystems 20A beschränkt sich wiederum im Wesentlichen auf die Zwischenabschnitte 12. Dort wo die Schnittstellen 22 und 23 aufeinander zu bewegt werden, herrscht in den Zwischenabschnitten 12 unter anderem eine Druckkraft, und dort, wo die Schnittstellen 22 und 23 voneinander weg bewegt werden, herrscht in den Zwischenabschnitten 12 unter anderem eine Zugkraft. Durch den Aufbau des Kupplungsscheibenstapelsystems 20A aus drei Kupplungsscheibenstapeln 20 kann eine Trennung erfolgen, so dass sich einzelne Kupplungsscheiben 10 nicht gegenseitig behindern. Der Übergang von überwiegenden Zugkräften zu überwiegenden Druckkräften erfolgt dann auf moderate Weise in der mittleren der drei Kupplungsscheibenstapeln 20, selbst bei einem bedeutenden Versatzwinkel a. Durch die vergleichsweise dünne Ausführung der Zwischenabschnitte 12 sind diese selbst im Hinblick auf Druckkräfte flexibel, was herkömmlich nicht einfach bewerkstelligt werden kann. Trotz des bedeutenden Versatzwinkels α verformen sich die einzelnen Kupplungsscheiben 10 im Zwischenabschnitt 12 auf weitgehend identische Weise.
In der Fig. 4 ist eine elastische Wellenkupplung 1 gezeigt, welche aus zwei Kupplungsscheibenstapelsystemen 20A und einer Zwischenwelle 20 aufgebaut ist. Die Kupplungsscheibenstapelsysteme 20A weisen jeweils vier miteinander gekoppelte Kupplungsscheibenstapel 20 auf. Die Kupplungsscheibenstapelsysteme 20A werden jeweils durch einen Flanschdeckel 40 und einen Stirnring 31 in Position gehalten. Bei dieser Variante einer durch einzelne Kupplungsscheibenstapel 20 gebildeten elastischen Wellenkupplung 1 kann eine Kupplung nach Art eines Kardangelenks bereitgestellt werden.
In der Fig. 5a ist eine Kupplungsscheibe 10 gezeigt, bei welcher ein Zwischenabschnitt 12 zwischen einem äußeren Radialabschnitt 13 und einem inneren Radialabschnitt 1 1 vorgesehen ist, welcher in y-Richtung eine größere Erstreckung aufweist als die Radialabschnitte 1 1 , 13, und welcher sich in y- Richtung verjüngt zu einer kleineren Dicke, also einer kleineren Erstreckung in x-Richtung. Die Radialabschnitte 1 1 , 13 werden dabei im Wesentlichen durch die Abschnitte definiert, in welchen die Kupplungsscheibe 10 sich genau in y- Richtung erstreckt, also in einer Ebene senkrecht zur x-Richtung. In diesen Radialabschnitten 1 1 , 13 können mehrere Kupplungsscheiben 10 aneinander zur Anlage kommen, wie in Fig. 5b gezeigt. Die Verjüngung 12a des Zwischenabschnitts 12 verläuft von innen nach außen zunächst zumindest annähernd linear und mündet kurz vor dem äußeren Radialabschnitt 13 in einem Radius r oder einen elliptischen, parabelförmigen oder hyperbolischen Abschnitt, durch welchen sich der Zwischenabschnitt 12 wieder verbreitert, also aufweitet auf die Breite des äußeren Radialabschnitts 13 und in diesen übergeht. Durch diese Geometrie wird bei zwei aneinander anliegenden Kupplungsscheiben 10 zwischen diesen eine tropfenförmige Kavität gebildet, wie in Fig. 5b gezeigt. Die Kupplungsscheibe 10 weist eine erste Führung 16 und eine zweite Führung 17 auf, durch welche eine ersten Durchgangsöffnung 16a und eine zweite Durchgangsöffnung 17a festgelegt ist. In diesen Führungen 16, 17 kann jeweils ein Verbindungsmittel wie z.B. ein Bolzen geführt sein, um aneinander anliegende Kupplungsscheiben 10 zueinander zu zentrieren bzw. eine Relativbewegung in Umfangsrichtung oder allgemein in einer x-z-Ebene zu unterbinden. Die Führungen 16, 17 können einvulkanisiert sein und auf einem Lochkreis in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung angeordnet sein. In diesem Fall sind sie bevorzugt hülsenartig oder buchsenartig ausgebildet. Sie können jedoch auch z.B. als umlaufende Verstärkungsringe ausgebildet sein und an den entsprechenden Punkten Durchgangsbohrungen zum Festlegen der Durchgangsöffnungen 16a, 17a aufweisen. Die Kupplungsscheibe 10 erstreckt sich von der Symmetrieachse S aus über die Strecke y10 in y-Richtung. Es ist gezeigt, dass die Erstreckung des Zwischenabschnitts 12 über die Strecke y12 in y-Richtung groß ist in Bezug auf den Betrag y10. Bevorzugt liegt das Verhältnis von y12 zu y10 über 0,2, besonders bevorzugt über 0,3. Hierdurch kann eine gute Flexibilität sichergestellt werden.
Der Zwischenabschnitt 12 weist bevorzugt eine radiale Erstreckung y12 auf, welche um einen Faktor zwischen 3 und 8 oder maximal 10 größer ist als eine Erstreckung x10 der Kupplungsscheibe 10 in x-Richtung, also eine Dicke der Kupplungsscheibe 10. Beispielsweise liegt die Dicke x10 im Bereich von 5 mm wenn die radiale Erstreckung y12 im Bereich von 25 mm liegt. Bei einem derart schmalen bzw. dünnen Zwischenabschnitt 12 kann eine gute Flexibilität einer einzelnen Scheibe 10 sichergestellt werden, und eine gewünschte Steifigkeit kann auf einfache Weise durch Kombination mehrerer Scheiben 10 erzielt werden.
In der Fig. 5b ist ein Kupplungsscheibenstapel 20 bestehend aus zehn Kupplungsscheiben 10 gezeigt, wobei im Bereich eines Kupplungsrings 23 und im Bereich einer Kupplungsnabe 22 die Kupplungsscheiben 10 jeweils mit Durchgangsöffnungen 16a, 17a fluchtend zueinander angeordnet sind. In den hierdurch gebildeten Kanälen kann jeweils ein Verbindungsmittel 21 vorgesehen sein, z.B. ein Bolzen mit einem Ansatz an dem einen Ende und einem Außengewinde an dem anderen Ende. Die Verbindungsmittel 21 können sicherstellen, dass die Kraftübertragung von den Schnittstellen 22 und 23 auf daran angeordnete Maschinenelemente gleichförmig erfolgt. Der Kupplungsscheibenstapel 20 kann z.B., wie in der Fig. 1 b gezeigt, mit weiteren Kupplungsscheibenstapeln 20 gekoppelt werden, welche dann eine etwa zehnfach so große Erstreckung x20a in x-Richtung aufweisen wie die einzelne Kupplungsscheibe 10. Ferner ist gezeigt, dass die Radialabschnitte 1 1 , 13 im Wesentlichen dazu dienen, nebeneinander angeordnete Kupplungsscheiben 10 auf vorbestimmte Weise aneinander zur Anlage zu bringen, und dass die Radialabschnitte 1 1 , 13 eine Erstreckung in y-Richtung aufweisen, die deutlich kleiner ist als eine Erstreckung in y-Richtung des Zwischenabschnitts 12. Hierdurch kann in Verbindung mit der Ausgestaltung als schmale Scheibe die gute Verformbarkeit der Kupplungsscheiben 10 sichergestellt werden. Gleichzeitig bleibt eine kompakte Bauform möglich. Der in der Fig. 5b gezeigte Kupplungsscheibenstapel 20 weist ein Distanzelement 25 auf, welche mittig zwischen fünf rechts davon und fünf links davon angeordneten Kupplungsscheiben 10 vorgesehen ist. Das Distanzelement 25 weist eine Dicke x1 (Fig. 5a) auf, die etwa im Bereich von 10 bis 30 Prozent, bevorzugt 20 Prozent einer Dicke x10 einer jeweiligen Kupplungsscheibe 10 liegt. Durch das Distanzelement 25 kann Kühlluft nicht nur zwischen zwei Kupplungsscheiben 10 vorgesehen sein, sondern auch seitens der Kupplungsnabe 22 in den Kupplungsscheibenstapel 20 eintreten und an zwei Kupplungsscheiben 10 vorbei strömen und seitlich an der flanschseitigen Schnittstelle 23 aus dem Kupplungsscheibenstapel 20 entweichen. Dies stellt einen sehr effektiven Wärmeaustausch sicher. Bevorzugt ist das Distanzelement 25 aus mehreren einzeln montierbaren Ringabschnitten gebildet, die so an einer Kupplungsscheibe 10 angeordnet werden können, dass die Kühlluft einem definierten Pfad folgen muss, um an den Kupplungsscheiben 10 vorbeiströmen zu können, wie in Fig. 6 näher gezeigt.
In der Fig. 6 ist in einer Draufsicht ein Teilausschnitt eines geschnittenen Distanzelements 25 gezeigt. Die Oberfläche des Distanzelements 25 ist durch zwei hervorstehende Teile, insbesondere Ringabschnitte 25a, 25a.1 , 25a.2 strukturiert, zwischen denen Kühlluft entlang eines Pfades P geleitet werden kann. Die hervorstehenden Teile 25a.1 , 25a.2 erstrecken sich kreissegmentförmig und ringartig, weisen jedoch in Umfangsrichtung Unterbrechungen auf, wodurch Durchlässe 25b, 25b.1 , 25b.2 gebildet sind. Kühlluft kann entlang des skizzierten Pfades P von innen radial nach außen strömen, jedoch wird es durch den Winkelversatz zwischen den einzelnen Durchlässen 25b.1 , 25b.2 zu einer Bewegung in Umfangsrichtung gezwungen. Der Winkelversatz beträgt im gezeigten Beispiel 45 Grad. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch ein guter Kompromiss zwischen Strömungsgeschwindigkeit und Kontaktzeit der Kühlluft mit der angrenzenden Kupplungsscheibe 10 erzielt werden kann. Die hervorstehenden Teile 25a, 25a.1 , 25a.2 sind in zweckdienlicher Weise in einem radialen Abstand von einem Mittelpunkt vorgesehen, welcher dem radialen Abstand des inneren und äußeren Radialabschnitts der Kupplungsscheibe 10 entspricht, so dass das Distanzelement 25 an den Radialabschnitten von zwei Kupplungsscheiben 10 anliegen kann und auch durch entsprechende Durchgangsöffnungen 16, 17 gegenüber den Kupplungsscheiben 10 zentriert werden kann.
In der Fig. 7 ist im Detail gezeigt, dass das Distanzelement 25 im Schnittbild im Bereich des inneren Radialabschnitts 1 1 vorliegt, aber im Bereich des äußeren Radialabschnitts 13 nicht. Mit anderen Worten weist das Distanzelement 25 mindestens zwei Durchlässe auf oder legt diese durch seine Anordnung oder seinen Aufbau fest, und die Durchlässe sind im Winkelversatz zueinander angeordnet. Das Distanzelement 25 weist analog zu den Führungen 16, 17 der Kupplungsscheibe 10 einen Durchlass auf, dessen Durchmesser y1 dem Innendurchmesser der Führungen entspricht. Die Erstreckung x10 der Kupplungsscheibe 10 in x-Richtung ist deutlich größer als die Erstreckung des Distanzelements 25 in x-Richtung. Die Führungen 16, 17 sind einvulkanisiert und von jeder Stirnfläche der Kupplungsscheibe 10 um einen Betrag x2 beabstandet, so dass nicht Führungen aneinander zur Anlage kommen, sondern die Elastomerkörper selbst. Es hat sich gezeigt, dass es zweckdienlich ist, wenn der Abstand x2 etwa im Bereich von 10 bis 20 Prozent der Dicke x10 der Kupplungsscheibe 10 liegt.
In der Fig. 8 ist eine Kupplungsscheibe 10 gezeigt, welche im Wesentlichen den Aufbau der in der Fig. 5a gezeigten Kupplungsscheibe 10 aufweist, wobei am inneren Radialabschnitt 1 1 und am äußeren Radabschnitt 13 auf beiden Seiten der Scheibe 10 in einzelnen Umfangssegmenten Kühlkanäle 18 (Lüftungskanäle) ausgebildet sind (angedeutet durch die gestrichelten Linien), indem ein die Radialabschnitte 1 1 , 13 überdeckendes Elastomermaterial in einzelnen Umfangssegmenten der Kupplungsscheibe 10 die Radialabschnitte 1 1 , 13 mit einer dünneren Schichtdicke bedeckt als in benachbarten Umfangssegmenten. Die Umfangssegmente können z.B. rotationssymmetrisch verteilt über den gesamten Umfang gewählt sein, z.B. in der Summe sechs oder acht Kühlkanäle, oder aber auch nur ein einzelner oder asymmetrisch verteilte Kühlkanäle vorgesehen sein. Mit anderen Worten ist eine Ventilationsgeometrie direkt im Elastomermaterial bzw. in der Vulkanisation ausgestaltet, was z.B. bereits beim Vulkanisieren selbst erfolgen kann. Bei aneinander anliegenden Kupplungsscheiben kann Kühlmedium, insbesondere Luft, durch diese Kühlkanäle 18 strömen. Wahlweise kann das Elastomermaterial abschnittsweise auch vollständig fehlen, insbesondere im Bereich von in den Radialabschnitten 1 1 , 13 angeordneten Führungen 16, 17, so dass Kühlmedium direkt an den Führungen 16, 17 entlanggeführt wird. Hierdurch können besonders große bzw. tiefe Kühlkanäle 18 für einen hohen Durchsatz an Kühlmedium realisiert werden.
- Bezugszeichenliste -
Bezugszeichenliste
1 Elastische Wellenkupplung
2 Nabe
3 Flansch
10 Kupplungsscheibe
1 1 innerer Radialabschnitt
12 Zwischenabschnitt, insbesondere verjüngt 12a Verjüngung bzw. verjüngter Teil
13 äußerer Radialabschnitt
16 erste Führung, insbesondere einvulkanisiert
16a erste Durchgangsöffnung
17 zweite Führung, insbesondere einvulkanisiert 17a zweite Durchgangsöffnung
18 Kühlkanal
20 Kupplungsscheibenstapel
20A Kupplungsscheibenstapelsystem 21 Verbindungsmittel für Kupplungsscheibenverbindung, insbesondere Bolzen
22 nabenseitige Schnittstelle
23 flanschseitige Schnittstelle 24 Zwischenelement
25 Distanzelement, insbesondere Zwischenring
25a hervorstehender Teil
25a.1 innerer hervorstehender Teil
25a.2 äußerer hervorstehender Teil 25b Durchlass, insbesondere radial ausgerichtet
25b.1 erster Durchlass, insbesondere Durchlass im inneren hervorstehenden Teil
25b.2 zweiter Durchlass, insbesondere Durchlass im äußeren hervorstehenden
Teil
30 Zwischenwelle
40 Flanschdeckel
K Kavität
M Kühlmedium, insbesondere Luft P Pfad der Kühlmediums S Symmetrieachse
T Spannung oder Krafteinwirkung in einer bestimmten Richtung x1 Abstand von zwei Kupplungsscheiben zueinander bei dazwischen angeordnetem Distanzelement x2 Abstand um welchen eine Führung von einer Stirnfläche einer Kupplungsscheibe versetzt ist x10 Erstreckung der Kupplungsscheibe in x-Richtung x20a Erstreckung eines Kupplungsscheibenstapels in x-Richtung y1 Innendurchmesser einer Führung y10 Erstreckung der Kupplungsscheibe in y-Richtung y12 Erstreckung des Zwischenabschnitts in y-Richtung α Versatzwinkel eines Kupplungsscheibenstapels um z-Achse
- Patentansprüche -

Claims

Patentansprüche
1 . Elastische Kupplungsscheibe (10) für eine elastische Wellenkupplung (1 ), mit einem inneren Radialabschnitt (1 1 ) und einem äußeren Radialabschnitt (13), wobei der innere Radialabschnitt (1 1 ) eine innenliegende Schnittstelle zu einem ersten Maschinenelement, insbesondere einer Nabe, bildet und der äußere Radialabschnitt (13) eine außenliegende Schnittstelle zu einem zweiten Maschinenelement, insbesondere einem Flansch, bildet, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zwischen dem inneren und äußeren Radialabschnitt ein Zwischenabschnitt (12) vorgesehen ist, welcher zusammen mit den Radialabschnitten (1 1 , 13) einen Scheibenkörper bildet, der in einer radialen Richtung eine Erstreckung aufweist, die größer ist als seine Erstreckung in einer axialen Richtung, wobei die Kupplungsscheibe (10) dazu ausgebildet ist, einen axialen Versatz, einen radialen und/oder winkeligen Versatz durch Verformung des Zwischenabschnitts (12) auszugleichen.
2. Kupplungsscheibe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von radialer Erstreckung zu axialer Erstreckung im Bereich von 20 bis 50 liegt.
3. Kupplungsscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Zwischenabschnitt (12) aus einem Elastomermaterial besteht.
4. Kupplungsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialabschnitte (1 1 , 13) zumindest teilweise aus einem Elastomermaterial bestehen.
5. Kupplungsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenabschnitt (12) einen verjüngten Teil aufweist.
6. Kupplungsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radialabschnitte (1 1 , 13) jeweils mindestens eine Führung (16, 17) aufweisen, durch welche jeweils eine Durchgangsöffnung (16a, 17a) definiert ist.
7. Kupplungsscheibe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an den Radialabschnitten (1 1 , 13) angeordneten Führungen (16, 17) als Verstärkungsringe ausgebildet sind, die bevorzugt aus einem metallischen Material bestehen.
8. Kupplungsscheibenstapel (20) für eine elastische Wellenkupplung (1 ), mit einer Mehrzahl von Kupplungsscheiben (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Verbindungsmittel (21 ), welches in miteinander fluchtenden und durch jeweilige Führungen (16, 17) der Kupplungsscheiben (10) definierte Durchgangsöffnungen (16a, 17a) angeordnet ist.
9. Kupplungsscheibenstapel (20) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass er zwei radial zueinander versetzte Verbindungsmittel (21 ) aufweist, die an dem inneren Radialabschnitt (1 1 ) und an dem äußeren Radialabschnitt (13) angeordnet sind.
10. Kupplungsscheibenstapel (20) nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch ein Distanzelement (25) zum Kühlen einzelner Kupplungsscheiben (10).
1 1 . Kupplungsscheibenstapel (20) nach Anspruch 8, 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei wenigstens einer der Kupplungsscheiben der Zwischenabschnitt (12) aus einem Elastomermaterial besteht, welches den inneren Radialabschnitt (1 1 ) und/oder den äußeren Radialabschnitt (13) teilweise bedeckt und/oder mit mindestens zwei unterschiedlichen Schichtstärken bedeckt, wobei am inneren Radialabschnitt (1 1 ) und/oder am äußeren Radialabschnitt (13) im Elastomermaterial ein Kühlkanal (18) ausgebildet ist, der bevorzugt zumindest annähernd radial ausgerichtet ist.
12. Elastische Wellenkupplung (1 ) mit einem oder mehreren axial in
Reihe hintereinander angeordneten Kupplungsscheibenstapeln (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 .
13. Wellenkupplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen ersten Kupplungsscheibenstapel (20) und einen zweiten Kupplungsscheibenstapel (20) aufweist, die über eine Zwischenwelle (30) miteinander gekoppelt sind.
- Zusammenfassung -
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