WO2022136214A1 - Biegeelastische wellenkupplung - Google Patents

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WO2022136214A1
WO2022136214A1 PCT/EP2021/086696 EP2021086696W WO2022136214A1 WO 2022136214 A1 WO2022136214 A1 WO 2022136214A1 EP 2021086696 W EP2021086696 W EP 2021086696W WO 2022136214 A1 WO2022136214 A1 WO 2022136214A1
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WO
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shaft coupling
helix
elements
partial
shaft
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Application number
PCT/EP2021/086696
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English (en)
French (fr)
Inventor
Danny Baumann
Alexander Horst
Original Assignee
Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V.
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Publication date
Application filed by Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. filed Critical Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V.
Publication of WO2022136214A1 publication Critical patent/WO2022136214A1/de

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Classifications

    • 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
    • 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
    • F16D3/72—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 with axially-spaced attachments to the coupling parts

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of coupling technology and relates to a flexible shaft coupling.
  • the flexible shaft coupling according to the invention can be used, for example, in rotating technical systems, test systems or medical devices.
  • Shaft couplings are known from the prior art, which are assigned to the non-switchable, flexible compensating couplings. Such shaft couplings are torsionally flexible and can compensate for axial, radial, angular and rotational misalignments and thus misalignments.
  • hubs may be connected to a tangential helical compression spring.
  • the spring provided between a drive and driven side allows large torsional angles due to its low torsional spring stiffness.
  • DE 2 001 639 discloses an elastic shaft coupling with metallic elastic elements in the form of helical springs, one end of the shaft acting on helical springs arranged axially at the other end of the shaft.
  • EP 0 374 769 B1 discloses a spring clutch assembly comprising a coaxial input clutch member, an output clutch member and further a clutch spring partially located in each clutch member.
  • the spring is mounted on a mandrel with a shoulder at the entry end.
  • the mandrel is secured to the input member by a collet fit and extends through the output member into a housing where it is rotatably supported by bearings.
  • the input member is also rotatably supported by bearings which may further include a squeeze film damper to control the spring rate of the assembly and thereby minimize vibration by cycling through low speed rigid body mode vibration.
  • DE 102005044214 A1 discloses a torsion spring with a first and a second end region of a central spring device, the end regions being rotatable relative to one another and the spring device being changeable in its circumference by rotating the end regions and counteracting the relative twisting.
  • the central spring device can be operatively connected to at least one other spring device by changing its diameter.
  • a disadvantage of the prior art is that when torque is applied to the shaft coupling, changes in length and circumference occur in the area of the spring, which cause axial forces that load the elements of the shaft coupling and have a negative effect on the service life of the shaft couplings.
  • the object of the present invention is to specify a flexurally flexible shaft coupling with which a constant length and reduced axial forces are guaranteed when stressed, thereby improving the service life of the shaft coupling.
  • a flexible shaft coupling for the transmission of torque from a drive shaft to a shaft to be driven is provided with a helical partial helix element combination which, in the unloaded state, has at least two axially aligned partial helix elements connected in series, the partial helix element combination between a shaft attachment part for the drive shaft and a shaft attachment part for the shaft to be driven and connected thereto, wherein the mutually directed ends of the coil-shaped helix part elements are connected with a connection element, wherein the connection element is essentially circular with a diameter that is essentially the same as that of the helix part elements, and at least two Partial helix elements have opposite winding directions and, in conjunction with the essentially circular connecting element, length changes and axial and/or compensate for angular misalignment, and wherein at least the two partial helix elements have an identical spring stiffness.
  • the at least two partial helix elements are connected to the connecting element in a positive, non-positive and/or material manner.
  • At least the helix part element combination is designed in one piece.
  • the connecting element is formed with the same diameter as the helical sub-elements.
  • partial helix element or elements are designed as a double or multiple hei ix.
  • the partial helix elements are made from spring wire and have a square, rectangular, elliptical and/or circular cross-section.
  • the partial helix elements have a geometry that is mirror-symmetrical to one another.
  • partial helix elements are advantageously designed differently from one another with regard to the diameter of the helix, the length, the coil spacing or the cross-sectional dimensions of the spring wire.
  • the connecting element is additionally designed as a functional element, with the functional element particularly advantageously being a sensor element, actuator element and/or a data storage element.
  • a plurality of partial helix elements and/or connecting elements are arranged connected in series.
  • a flexible shaft coupling is made available with which a constant length and thereby Reduced axial forces are guaranteed, thereby improving the service life of the shaft coupling.
  • a flexurally flexible shaft coupling for the transmission of torque which has at least two axially aligned helix part elements connected in series, which are connected to one another to form a helix part element combination via a substantially circular connecting element with a diameter that is essentially the same as that of the helix part elements.
  • a partial helix element is to be understood as meaning a helical spring element which is connected to at least one further partial helix element at the ends directed towards one another via a connecting element.
  • a connecting element is to be understood as meaning a substantially circular component of the flexible shaft coupling, which is designed like a disk and to which the ends of the partial helix elements extend and are connected on both sides.
  • the connection of the ends of the partial helix elements can be produced in a non-positive, positive or material connection.
  • At least the partial helix elements connected to the connecting element have opposite winding directions to one another.
  • a partial helix element reacts with an axial shortening, while the further partial helix element reacts with an opposite winding sense and lengthens.
  • the partial helix elements have an identical spring stiffness in order to achieve complete compensation for the change in length that occurs between the partial helix elements and to provide a constant length of the shaft coupling.
  • the at least two partial helix elements are connected to the connecting element in a positive, non-positive and/or material connection.
  • a non-positive or material connection is realized between the two partial helix elements and the connecting element.
  • Such a connection enables a simple possibility of combining and interchanging different partial helix elements with the one or more connecting elements, as a result of which the properties of the flexible shaft coupling can be flexibly matched to changing conditions of use.
  • the circular connecting element is designed with an outer diameter that is essentially the same as that of the partial helix elements.
  • the technical advantage lies in the fact that the shaft coupling can be manufactured inexpensively, quickly and easily, for example by turning or milling. In particular, with the shaft coupling having the same outside diameter, it is not necessary to remove any material. In addition, a more favorable installation space can be realized through the flexible shaft coupling with the same outer diameter of the helical sub-elements and the connecting element.
  • the partial helix element or elements For the individual setting of the desired spring stiffness of the partial helix elements, provision can be made for the partial helix element or elements to be designed as a double or multiple helix.
  • the formation of double or even multiple helix offers several technical advantages. Since the axial rigidity acts in the axial direction and the spring rigidity of the two partial helix elements is the same in terms of amount, the resulting changes in length of the individual partial helix elements are compensated for against one another.
  • a major advantage of using double or multiple helix is that, compared to single-threaded helix sub-elements, the flexural rigidity is reduced while the torsional rigidity remains the same. This relieves the load on the shaft couplings and shaft bearings in particular.
  • a restoring force is also generated, since the bending stiffness acts when the coupling is bent if the shafts have an angle or an axial offset.
  • the spring stiffness of the flexible shaft coupling can be specifically adjusted via the parameters thickness and width, length, inner and outer diameter, pitch and number of helixes and material or helical shape.
  • the partial helix element or elements can be made of spring wire with a square, rectangular, elliptical and/or circular cross-section. Provision can thus be made for the spring wire of a helix part element to have an elliptical cross-section, which allows the shaft coupling to be bent while maintaining a high degree of rigidity and constant torque transmission.
  • the helix part element combination it is possible to use the helix part element combination as a curved shaft coupling, so that the input shaft can be arranged at an angle of between 1° and 90° to the output shaft. This increases the possible uses of the shaft coupling while the torque transmission remains the same.
  • the partial helix elements it is possible for the partial helix elements to be designed differently from one another with regard to the length, the coil spacing or the cross-sectional dimensions of the spring wire. There is thus the possibility that a first partial helix element has a different length than a further partial helix element. This enables, for example, a space that can be flexibly adapted to the desired use Shaft coupling, as long as the spring constants of both partial helix elements are constant, in order to achieve the best possible compensation for changes in length within the partial helix element combination.
  • the connecting element can also be designed as a functional element. This not only creates the connection between the partial helix elements, but also provides the option of calling up important information about the functional element for the use of the shaft coupling and intervening in the process during use.
  • the technical effect of the shaft coupling according to the invention can be used, that when a torque is applied, a helix part element shortens, while the second helix part element lengthens with the same change in length.
  • the connecting element is thus shifted axially.
  • the amount of displacement results from the magnitude of the applied torque in relation to the rigidity of the shaft coupling and the direction of the displacement from the sign of the applied torque (direction of rotation).
  • the functional element is an actuator element with which a mechanical safety shutdown can take place in the event of a critical overload of the shaft coupling. It is also possible that the functional element is a sensor element with which important application parameters and information of the flexible shaft coupling are determined, the information is stored directly in the functional element and/or forwarded to a central computing and output unit.
  • usage parameters can be, for example, an introduced torque, the applied rotational speed, an axial or radial angular offset or the usage temperatures that occur.
  • the shaft attachment parts are made of a harder material in order to be able to realize a secure connection with the input and output shaft, while the connecting element between the helical part elements is made of an inexpensive material.
  • the connecting element serves as a functional element and from a more expensive material is made compared to the material of the helix sub-elements, for example, to avoid malfunctions of the functional element.
  • the connecting element between the two partial helix elements can be used as an actuator and/or sensor element.
  • Figure 1 is a schematic front view of a flexible
  • FIG. 2 shows a schematic rear view of a flexible shaft coupling
  • a flexible shaft coupling which has a first helical element 3 and a second helical element 4 which, together with the connecting element 5, form a combination of partial helical elements.
  • the first and second helix part element 3, 4 is axially aligned and connected in series and arranged between the shaft attachment part for the drive shaft 1 and the shaft attachment part for the shaft 2 to be driven and connected to them.
  • the mutually directed ends of the helical helix sub-elements 3 and 4 are connected to a connecting element 5 .
  • the first and second helix sub-element 3 and 4 has have opposite winding directions and identical spring stiffness. The ends of the first and second helix part elements 3 and 4 are connected to the shaft attachment parts 1 and 2 in a materially bonded manner.
  • the first partial helix element 3 consists of an AlMgSi alloy with a total of 8 turns.
  • the spring wire has a rectangular cross-section of 0.5mm x 3mm and a diameter of 10mm.
  • the pitch is 1.5 mm with a counter-clockwise starting angle of 125°.
  • the second partial helix element 4 consists of an AlMgSi alloy with a total of 8 turns.
  • the spring wire has a rectangular cross-section of 0.5mm x 3mm and a diameter of 10mm.
  • the pitch is 1.5 mm with a clockwise starting angle of 215°.
  • the helix part element combination formed from the first and second helix part elements 3 and 4 with the connecting element 5 has a length of 27 mm and a diameter of 10 mm.
  • the overall length of the flexible shaft coupling, consisting of the shaft attachment parts 1 and 2, the helix part elements 3 and 4 and the connecting element 5, is 40 mm.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Kupplungstechnik und betrifft eine biegeelastische Wellenkupplung. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer biegeelastischen Wellenkupplung, mit der beim Beanspruchen eine konstante Länge und verminderte axiale Kräfte gewährleistet werden und dadurch die Standzeit der Wellenkupplung verbessert wird. Gelöst wird die Aufgabe durch eine biegeelastische Wellenkupplung, die im unbelasteten Zustand mindestens zwei axial fluchtende und in Reihe geschaltete Helixteilelemente aufweist, wobei die Helixteilelement-Kombination zwischen einem Wellenbefestigungsteil für die Antriebswelle und einem Wellenbefestigungsteil für die anzutreibende Welle angeordnet und mit diesen verbunden ist, wobei die zueinander gerichteten Enden der wendelförmigen Helixteilelemente mit einem Verbindungselement verbunden sind, wobei mindestens zwei Helixteilelemente einen zueinander gegenläufigen Wicklungssinn aufweisen, und wobei mindestens die zwei Helixteilelemente eine identische Federsteifigkeit aufweisen. Die erfindungsgemäße biegeelastische Wellenkupplung kann beispielsweise in technischen Anlagen, Prüfanlagen oder medizinischen Geräten eingesetzt werden.

Description

Biegeelastische Wellenkupplung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der Kupplungstechnik und betrifft eine biegeelastische Wellenkupplung. Die erfindungsgemäße biegeelastische Wellenkupplung kann beispielsweise in rotierenden technischen Anlagen, Prüfanlagen oder medizinischen Geräten eingesetzt werden.
Aus dem Stand der Technik sind Wellenkupplungen bekannt, die den nicht schaltbaren, elastischen Ausgleichskupplungen zugeordnet werden. Derartige Wellenkupplungen sind drehelastisch und können Axial- Radial-, Winkel- und Drehversatz und damit Fluchtungsfehler ausgleichen.
Bei einer Form einer Wellenkupplung können Naben mit einer tangentialen Schraubendruckfeder verbunden sein. Die zwischen einer Antriebs- und Abtriebsseite vorgesehen Feder ermöglicht aufgrund ihrer geringen Drehfedersteife große Verdrehwinkel.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Lösungen von elastischen Wellenkupplungen bekannt.
Aus der DE 2 001 639 ist eine elastische Wellenkupplung mit metallischen elastischen Elementen in Form von Schraubenfedern bekannt, wobei das eine Wellenende an am anderen Wellenende axial angeordneten Schraubenfedern angreift.
Die EP 0 374 769 B1 offenbart eine Federkupplungsanordnung, die ein koaxiales Eingangskupplungselement, ein Ausgangskupplungselement und ferner eine Kupplungsfeder aufweist, die teilweise in jedem Kupplungselement angeordnet ist. Die Feder ist auf einem Dorn angeordnet mit einer Schulter am Eingangsende. Der Dorn ist durch eine Spannzangenpassung am Eingangselement befestigt und erstreckt sich durch das Ausgangselement in ein Gehäuse, wo er von Lagern drehbar gehalten wird. Das Eingangselement wird auch rotativ von Lagern getragen, die ferner einen Quetschfilmdämpfer enthalten können, um die Federrate der Baugruppe zu steuern und dadurch Vibrationen zu minimieren, indem eine Vibration im Starrkörpermodus bei niedriger Geschwindigkeit durchlaufen wird. Aus der DE 102005044214 A1 ist eine Drehfeder mit einem ersten und einem zweiten Endbereich einer zentralen Federeinrichtung, wobei die Endbereiche relativ zueinander verdrehbar sind und wobei die Federeinrichtung durch Verdrehen der Endbereiche in ihrem Umfang veränderbar ist und dem relativen Verdrehen entgegenwirkt. Die zentrale Federeinrichtung ist durch Veränderung ihres Durchmessers mit mindestens einer weiteren Federeinrichtung wirkverbindbar ist.
Nachteilig aus dem Stand der Technik ist, dass bei einer Drehmomentbeaufschlagung der Wellenkupplung Längen- und Umfangsänderungen im Bereich der Feder auftreten, die axiale Kräfte verursachen, die die Elemente der Wellenkupplung belasten und sich nachteilig auf die Standzeit der Wellenkupplungen auswirkt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe einer biegeelastischen Wellenkupplung, mit der beim Beanspruchen eine konstante Länge und verminderte axiale Kräfte gewährleistet werden und dadurch die Standzeit der Wellenkupplung verbessert wird.
Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, wobei die Erfindung auch Kombinationen der einzelnen abhängigen Patentansprüche im Sinne einer Und-Verknüpfung miteinschließt, solange sie sich nicht gegenseitig ausschließen.
Erfindungsgemäß wird eine biegeelastische Wellenkupplung zur Übertragung von Drehmomenten von einer Antriebswelle auf eine anzutreibende Welle mit einer wendeiförmigen Helixteilelement-Kombination bereitgestellt, die im unbelasteten Zustand mindestens zwei axial fluchtende und in Reihe geschaltete Helixteilelemente aufweist, wobei die Helixteilelement-Kombination zwischen einem Wellenbefestigungsteil für die Antriebswelle und einem Wellenbefestigungsteil für die anzutreibende Welle angeordnet und mit diesen verbunden ist, wobei die zueinander gerichteten Enden der wendeiförmigen Helixteilelemente mit einem Verbindungselement verbunden sind, wobei das Verbindungselement im Wesentlichen kreisförmig mit einem im Wesentlichen gleichen Durchmesser zu den Helixteilelementen ausgebildet ist, und wobei mindestens zwei Helixteilelemente einen zueinander gegenläufigen Wicklungssinn aufweisen und in Verbindung mit dem im Wesentlichen kreisförmigen Verbindungselement Längenänderungen sowie Achs- und/oder Winkelversatz kompensieren, und wobei mindestens die zwei Helixteilelemente eine identische Federsteifigkeit aufweisen.
Vorteilhafterweise sind die mindestens zwei Helixteilelemente mit dem Verbindungselement form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens die Helixteilelement- Kombination einstückig ausgebildet.
Auch vorteilhafterweise ist das Verbindungselement im gleichen Durchmesser zu den Helixteilelementen ausgebildet.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn das oder die Helixteilelemente als Doppel- oder Mehrfach hei ix ausgebildet sind.
Auch vorteilhaft ist es, wenn die Helixteilelemente aus einem Federdraht hergestellt sind, die einen quadratischen, rechteckigen, elliptischen und/oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Helixteilelemente eine zueinander spiegelsymmetrisch identische Geometrie auf.
Zudem sind vorteilhafterweise die Helixteilelemente zueinander hinsichtlich des Durchmessers der Wendel, der Länge, der Windungsabstände oder der Querschnittsabmessungen des Federdrahtes unterschiedlich ausgeführt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verbindungselement zusätzlich als Funktionselement ausgebildet, wobei besonders vorteilhaft das Funktionenelement ein Sensorelement, Aktorelement und/oder ein Datenspeicherelement ist.
Vorteilhaft ist es auch, wenn mindestens die Helixteilelemente und/oder das Verbindungselement aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.
Und auch vorteilhafterweise sind mehrere Helixteilelement und/oder Verbindungselemente in Reihe geschaltet angeordnet.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine biegeelastische Wellenkupplung zur Verfügung gestellt, mit der beim Beanspruchen eine konstante Länge und dadurch verminderte Axialkräfte gewährleistet werden und dadurch die Standzeit der Wellenkupplung verbessert wird.
Erreicht wird dies durch eine biegeelastische Wellenkupplung zur Übertragung von Drehmomenten, die mindestens zwei axial fluchtende und in Reihe geschaltete Helixteilelemente aufweist, die über ein im Wesentlichen kreisförmig mit einem im Wesentlichen gleichen Durchmesser zu den Helixteilelementen ausgebildeten Verbindungselement zu einer Helixteilelement-Kombination miteinander verbunden sind.
Unter einem Helixteilelement soll im Rahmen der Erfindung ein schraubenförmig ausgebildetes Federelement verstanden werden, das mit mindestens einem weiteren Helixteilelement an den zueinander gerichteten Enden über ein Verbindungselement verbunden ist.
Unter einem Verbindungselement soll ein im Wesentlichen kreisförmiges Bauelemente der biegeelastischen Wellenkupplung verstanden werden, das scheibenartig ausgebildet ist und an das beidseitig die Enden der Helixteilelemente verlaufen und verbunden sind. Die Verbindung der Enden der Helixteilelemente kann dabei kraft-, form -oder stoffschlüssig hergestellt sein.
Erfindungswesentlich dabei ist, dass mindestens die mit dem Verbindungselement verbundenen Helixteilelemente einen zueinander gegenläufigen Wicklungssinn der Windungen aufweisen. Bei Beaufschlagung eines Torsionsmomentes reagiert ein Helixteilelement mit einer axialen Verkürzung, während das weitere Helixteilelement mit einem entgegengesetzten Windungssinn verlängert reagiert. Dadurch wird bei der Drehmomentübertragung der technische Effekt erreicht, dass die üblicherweise entstehende Längenänderung des der Antriebsseite zugewandten Helixteilelementes durch das nachfolgend angeordnete weitere Helixteilelement kompensiert wird, wodurch eine Axialbelastung auf die Wellen und eine mögliche Längenänderung der gesamten Helixteilelement-Kombination durch einer Art Protagonist-Antagonist- Prinzip vermieden wird.
Zudem ist von Bedeutung, dass die Helixteilelemente eine identische Federsteifigkeit aufweisen, um eine vollständige Kompensation der entstehenden Längenänderung zwischen den Helixteilelementen zu erreichen und eine konstante Länge der Wellenkupplung bereitzustellen. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der biegeelastischen Wellenkupplung sind die mindestens zwei Helixteilelemente mit dem Verbindungselement form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden.
Insbesondere bei einer einstückig ausgeführten Helixteilelement-Kombination ist es für eine im Wesentlichen schwingungsfreie Rotation der biegeelastischen Wellenkupplung von Vorteil, wenn die Helixteilelemente und das Verbindungselement stoffschlüssig in einem Herstellungsschritt gefertigt sind. Als mögliches Herstellungsverfahren kann hierfür beispielsweise ein additives Herstellungsverfahren angewendet werden, um ein Spiel zwischen den Elementen der biegeelastische Wellenkupplung zu vermeiden und eine direkte Übertragung von Drehmomenten zu ermöglichen.
Vorteilhaft kann es aber auch vorgesehen sein, dass eine kraft- oder stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Helixteilelementen und dem Verbindungselement realisiert ist. Eine derartige Verbindung ermöglicht eine einfache Kombinationsmöglichkeit und Austauschbarkeit unterschiedlicher Helixteilelemente mit dem oder den Verbindungselementen, wodurch eine flexible Abstimmung der Eigenschaften der biegeelastischen Wellenkupplung auf wechselnde Einsatzbedingungen ermöglicht wird.
Erfindungswesentlich ist es, dass das kreisförmige Verbindungselement mit einem im Wesentlichen gleichem Außendurchmesser zu den Helixteilelementen ausgebildet ist. Der technische Vorteil liegt darin, dass eine kostengünstige, schnelle und einfach Herstellung der Wellenkupplung, beispielsweise durch Drehen oder Fräsen, realisiert werden kann. Insbesondere bei einem gleichen Außendurchmesser der Wellenkupplung ist der Abtrag von Material nicht erforderlich. Zudem ist ein günstigerer Bauraum durch die biegeelastische Wellenkupplung mit gleichem Außendurchmesser der Helixteilelemente und dem Verbindungselement realisierbar.
Zur individuellen Einstellung der gewünschten Federsteifigkeit der Helixteilelemente kann vorgesehen sein, dass das oder die Helixteilelemente als Doppel- oder Mehrfachhelix ausgebildet sind. Die Ausbildung von Doppel- oder sogar Mehrfachhelix bieten mehrere technische Vorteile. Da die axiale Steifigkeit in Achsrichtung wirkt und die Federsteifigkeit der beiden Helixteilelemente betragsmäßig gleich sind, werden die resultierenden Längenänderungen der einzelnen Helixteilelemente gegeneinander kompensiert. Ein wesentlicher Vorteil des Einsatzes von Doppel- oder Mehrfachhelix besteht darin, dass im Vergleich zu eingängigen Helixteilelementen bei gleichbleibender Torsionssteifigkeit die Biegesteifigkeit gesenkt wird. Dadurch werden insbesondere die Wellenkupplungen und Wellenlagerung entlastet.
Zudem wird das auf die biegeelastische Wellenkupplung auftreffende Drehmoment gedämpft übertragen, da die Steifigkeit in Drehrichtung wirkt.
Auch wird eine Rückstellkraft erzeugt, da die Biege-Steifigkeit beim Verbiegen der Kupplung wirkt, sofern die Wellen einen Winkel oder Achsversatz besitzen.
Auch ist von Vorteil, dass über die Parameter Dicke und Breite, Länge, Innen-, Außendurchmesser, Steigung und Anzahl der Helix sowie Material oder Wendelform die Federsteifigkeiten der biegeelastischen Wellenkupplung gezielt eingestellt werden können.
Ebenso können in einer vorteilhaften Ausgestaltung der biegeelastischen Wellenkupplung das oder die Helixteilelemente aus Federdraht mit einem quadratischen, rechteckigen, elliptischen und/oder kreisförmigen Querschnitt ausgebildet sein. So kann vorgesehen sein, dass der Federdraht eines Helixteilelementes einen elliptischen Querschnitt aufweist, wodurch eine Biegung der Wellenkupplung bei Beibehaltung einer hohen Steifigkeit und gleichbleibender Drehmomentübertragung ermöglicht wird. So ist es beispielsweise möglich, die Helixteilelement-Kombination als gebogene Wellenkupplung einzusetzen, sodass die Antriebswelle in einem Winkel zwischen 1 ° und 90° zur Abtriebswelle angeordnet werden kann. Dies erhöht die Einsatzmöglichkeit der Wellenkupplung bei gleichbleibender Drehmomentübertragung.
Mit der Anordnung mehrerer Helixteilelemente und Verbindungselemente besteht sogar die Möglichkeit, Winkel > 90° zwischen Antriebs- und Abtriebswelle realisieren zu können, wodurch insbesondere auch der Bauraum der biegeelastischen Wellenkupplung verringert werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist es möglich, dass die Helixteilelemente zueinander hinsichtlich der Länge, der Windungsabstände oder der Querschnittsabmessungen des Federdrahtes unterschiedlich ausgeführt sind. So besteht die Möglichkeit, dass ein erstes Helixteilelemente eine gegenüber einem weiteren Helixteilelement verschiedene Länge ausweist. Dies ermöglicht beispielsweise eine an den gewünschten Einsatz flexiblen anpassbaren Bauraum der Wellenkupplung, sofern die Federkonstanten beider Helixteilelemente konstant sind, um eine bestmögliche Längenänderungskompensation innerhalb der Helixteilelement- Kombination zu bewirken.
In einer besonders vorteilhaften Ausführung der biegeelastischen Wellenkupplung kann das Verbindungselement zugleich als Funktionselement ausgebildet sein. Damit wird nicht nur die Verbindung zwischen den Helixteilelementen realisiert, sondern es besteht die Möglichkeit, für den Einsatz der Wellenkupplung wichtige Informationen über das Funktionselement abzurufen und während des Einsatzes in den Prozess einzugreifen.
Mit dem Funktionselement kann der technische Effekt der erfindungsgemäßen Wellenkupplung genutzt werden, dass bei einem anliegenden Drehmoment sich ein Helixteilelement verkürzt, während sich das zweite Helixteilelement mit gleicher Längenänderung verlängert. Damit wird das Verbindungselement axial verschoben. Der Betrag der Verschiebung ergibt sich aus der Höhe des anliegenden Drehmomentes bezogen auf die Steifigkeit der Wellenkupplung und die Richtung der Verschiebung aus dem Vorzeichen des anliegenden Drehmomentes (Drehrichtung).
So ist vorstellbar, dass beispielsweise das Funktionselement ein Aktorelement ist, mit dem im Fall einer kritischen Überbelastung der Wellenkupplung eine mechanische Sicherheitsabschaltung erfolgen kann. Möglich ist auch, dass das Funktionselement ein Sensorelement ist, mit dem wichtige Einsatzparameter und Informationen der biegeelastischen Wellenkupplung ermittelt, die Informationen direkt im Funktionselement gespeichert und/oder an eine zentrale Rechen- und Ausgabeeinheit weitergeleitet werden. Derartige Einsatzparameter können beispielsweise ein eingeleitetes Drehmoment, die anliegende Rotationsgeschwindigkeit, eine axialer oder radialer Winkelversatz oder auftretende Einsatztemperaturen sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Wellenkupplung kann vorgesehen sein, dass mindestens die Helixteilelemente und/oder das Verbindungselement aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. So ist vorstellbar, dass beispielsweise die Wellenbefestigungsteile aus einem härteren Material gefertigt sind, um eine sichere Verbindung mit der Antriebs- und Abtriebswelle realisieren zu können, während das Verbindungselement zwischen den Helixteilelementen aus einem kostengünstigen Material hergestellt ist. Möglich ist aber auch, dass das Verbindungselement als Funktionselement dient und aus einem kostenintensiveren Material gegenüber dem Material der Helixteilelemente gefertigt ist, um beispielsweise Fehlfunktionen des Funktionselementes zu vermeiden.
Zusammenfassend werden die technischen Vorteile und Wirkungen darin gesehen, dass mit der biegeelastischen Wellenkupplung
- Längenänderungen und dabei auftretende Axialkräfte bei Beaufschlagung eines Drehmomentes kompensiert werden, wodurch eine verbesserte Standzeit der Wellenkupplung und der gesamten Antriebs- und Abtriebseinheit erreicht wird,
- auftretender Winkel- und/oder Achsversatz ohne Beeinflussung der Drehmomentübertragung ein einfacher Weise kompensiert wird,
- eine breiter Einsatzbereich durch umlenkbare Drehmomentübertragung ermöglicht wird,
- das Verbindungselement zwischen den zwei Helixteilelementen als Aktor- und/oder Sensorelement genutzt werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen die dazugehörige
Figur 1 eine schematische Vorderansicht einer biegeelastischen
Wellenkupplung mit zueinander spiegelsymmetrischer identischer Geometrie der Helixteilelemente und
Figur 2 eine schematische Rückansicht einer biegeelastischen Wellenkupplung
Ausführungsbeispiel 1
Gemäß den Figuren 1 und 2 wird eine biegeelastische Wellenkupplung bereitgestellt, die ein erstes Helixelement 3 und ein zweites Helixelement 4 aufweist, die mit dem Verbindungselement 5 eine Helixteilelement-Kombination bilden. Das erste und zweite Helixteilelement 3, 4 ist axial fluchtend und in Reihe geschaltet und zwischen dem Wellenbefestigungsteil für die Antriebswelle 1 und dem Wellenbefestigungsteil für die anzutreibende Welle 2 angeordnet und mit diesen verbunden. Die zueinander gerichteten Enden der wendeiförmigen Helixteilelemente 3 und 4 sind mit einem Verbindungselement 5 verbunden. Das erste und zweite Helixteilelement 3 und 4 weist einen zueinander gegenläufigen Wicklungssinn und identische Federsteifigkeit auf. Die Enden des ersten und zweiten Helixteilelementes 3 und 4 sind stoffschlüssig mit den Wellenbefestigungsteilen 1 und 2 verbunden.
Das erste Helixteilelement 3 besteht aus einer AIMgSi-Legierung mit insgesamt 8 Windungen. Der Federdraht weist einen rechteckigen Querschnitt mit 0,5mm x 3mm und einen Durchmesser von 10mm auf. Die Steigungshöhe beträgt 1 ,5mm mit einem gegen den Uhrzeigersinn vorliegenden Ausgangswinkel von 125°.
Das zweite Helixteilelement 4 besteht einer AIMgSi-Legierung mit insgesamt 8 Windungen. Der Federdraht weist einen rechteckigen Querschnitt mit 0,5mm x 3mm und einen Durchmesser von 10mm auf. Die Steigungshöhe beträgt 1 ,5mm mit einem im Uhrzeigersinn vorliegenden Ausgangswinkel von 215°.
Die aus dem ersten und zweiten Helixteilelement 3 und 4 mit dem Verbindungselement 5 gebildete Helixteilelement-Kombination weist eine Länge von 27mm und einen Durchmesser von 10mm auf. Die Gesamtlänge der biegeelastischen Wellenkupplung, bestehend aus den Wellenbefestigungsteilen 1 und 2, den Helixteilelementen 3 und 4 und dem Verbindungselement 5, beträgt 40mm.
Bezugszeichenliste
1 Wellenbefestigungsteil für Antriebswelle
2 Wellenbefestigungsteil für anzutreibende Welle
3 Erstes Helixteilelement
4 Zweites Helixteilelement
5 Verbindungselement/Funktionselement

Claims

Patentansprüche Biegeelastische Wellenkupplung zur Übertragung von Drehmomenten von einer Antriebswelle auf eine anzutreibende Welle mit einer wendeiförmigen Helixteilelement-Kombination, die im unbelasteten Zustand mindestens zwei axial fluchtende und in Reihe geschaltete Helixteilelemente (3, 4) aufweist, wobei die Helixteilelement-Kombination zwischen einem Wellenbefestigungsteil für die Antriebswelle (1 ) und einem Wellenbefestigungsteil für die anzutreibende Welle (2) angeordnet und mit diesen verbunden ist, wobei die zueinander gerichteten Enden der wendeiförmigen Helixteilelemente (3, 4) mit einem Verbindungselement (5) verbunden sind, wobei das Verbindungselement (5) im Wesentlichen kreisförmig mit einem im Wesentlichen gleichen Durchmesser zu den Helixteilelementen (3, 4) ausgebildet ist, und wobei mindestens zwei Helixteilelemente (3, 4) einen zueinander gegenläufigen Wicklungssinn aufweisen und in Verbindung mit dem im Wesentlichen kreisförmigen Verbindungselement (5) Längenänderungen sowie Achs- und/oder Winkelversatz kompensieren, und wobei mindestens die zwei Helixteilelemente (3, 4) eine identische Federsteifigkeit aufweisen. Wellenkupplung nach Anspruch 1 , bei der die mindestens zwei Helixteilelemente mit dem Verbindungselement form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden sind. Wellenkupplung nach Anspruch 1 oder 2, bei der mindestens die Helixteilelement- Kombination einstückig ausgebildet ist. Wellenkupplung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das oder die Helixteilelemente als Doppel- oder Mehrfachhelix ausgebildet sind. Wellenkupplung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Helixteilelemente aus einem Federdraht hergestellt sind, die einen quadratischen, rechteckigen, elliptischen und/oder kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Wellenkupplung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Helixteilelemente eine zueinander spiegelsymmetrisch identische Geometrie aufweisen. Wellenkupplung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Helixteilelemente zueinander hinsichtlich der Länge, der Windungsabstände oder der Querschnittsabmessungen des Federdrahtes unterschiedlich ausgeführt sind. Wellenkupplung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Verbindungselement zusätzlich als Funktionselement ausgebildet ist. Wellenkupplung nach Anspruch 8, bei der das Funktionenelement ein Sensorelement, Aktorelement und/oder ein Datenspeicherelement ist. Wellenkupplung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens die Helixteilelemente und/oder das Verbindungselement aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind. Wellenkupplung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mehrere Helixteilelement und/oder Verbindungselemente in Reihe geschaltet angeordnet sind.
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