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Die
Erfindung betrifft eine formschlüssig
arbeitende Überlastkupplung
mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
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In
der Antriebstechnik sind bisher form-, reib- oder kraftschlüssig arbeitende Überlastkupplungen zur
Absicherung von Drehbewegungen bekannt, die nach Erreichen eines
vorgebenen Drehmoments den Kraftfluß im Antriebsstrang unterbrechen.
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Insbesondere
im Bereich der formschlüssigen Überlastkupplungen
kann folgendermaßen
systematisch untergliedert werden:
- – Mit oder
ohne Fremdenergie betriebene Kupplungen,
- – Rastende
oder freischaltende Kupplungen,
- – Art
der Erzeugung der zur Momentübertragung nötigen Hilfskraft,
- – Art
der Erzeugung der zum Ausrasten erforderlichen Kraft,
- – Art
der Erzeugung der zum Wiedereinrasten nötigen Kraft.
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Speziell
für Anwendungsfälle, bei
denen im Kupplungsumfeld weder Fremdenergie noch die zur Überwachung
einer möglichen
Ausrastung der Überlastkupplung
geeignete Sensorik zur Verfügung
stehen, müßte die
Kupplung ideal folgende Wirkungsmerkmale aufweisen:
- – Kupplung,
die ohne Fremdenergie oder manuelle Eingriffe ihre Funktion erfüllt,
- – Freischaltende
Kupplung, die lange Auslaufzeiten als Folge der fehlenden Erkennung
des Überlastzustandes
verkraftet,
- – Kupplung,
die allein durch Reduzierung der Relativdrehzahl der beiden Kupplungshälften zwischen
An- und Abtriebsseite wieder einrastet und ihre Betriebsbereitschaft
wiedererlangt.
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Die
Erfindungsaufgabe wird also darin gesehen, eine Überlastkupplung zu schaffen,
die ohne äußere Einwirkung
arbeitend lange Auslaufzeiten verkraftet und nur durch Reduzierung
der Relativdrehzahl wieder einkuppelt.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Mit
der Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:
Die Überlastkupplung
kann ohne Fremdenergie und/oder Sensorik auskommen. Die Kupplung
eignet sich wegen der speziellen Funktion und des niedrigen Restdrehmomentes
für hohe
Relativdrehzahlen und lange Auslaufzeiten. Nach erfolgtem Ansprechen
bei Erreichen des vorgegebenen Drehmoments (Entkuppeln) kann sie
ausschließlich
durch eine Verringerung der Relativdrehzahl zwischen An- und Abtriebsseite
wieder eingekuppelt und damit betriebsbereit gemacht werden.
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Weitere
Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung sieht eine formschlüssig
arbeitende Überlastkupplung
mit Freischaltfunktion und automatischer Wiedereinrastung durch
Reduzierung der Relativdrehzahl zwischen An- und Abtrieb vor, bei der
die zur Drehmomentübertragung
zwischen der treibenden und der angetriebenen Kupplungshälfte erforderliche
kupplungsinterne Haltekraft allein durch in Axialrichtung wirksame
Magnete, vorzugsweise Permanentmagnete oder durch Kombination derselben
mit einem Federmechanismus erreicht wird. Im eingerasteten Zustand
der Kupplung, d.h. wenn die beiden Kupplungshälften sich nicht zueinander
verdrehen, wird die Anziehung zwischen verschiedenartigen Magnetpolen
bzw. die Anziehung zwischen Magnetpolen und Teilen aus ferromagnetischen
Werkstoffen genutzt. Nach dem Freischalten, also nach der Überwindung
der axial wirkenden magnetischen Haltekraft zwischen den beiden
Kupplungshälften und
dem Beginn der Rotation derselben gegeneinander, hält die Abstoßung zwischen
den an einander in Umfangsrichtung vorbeilaufenden gleichartigen
Magnetpolen die axiale Trennung zwischen An- und Abtriebsseite aufrecht.
Weil im freigeschalteten Zustand der Kupplung beim ständigen Wechsel
zwischen Anziehung und Abstoßung
im Bereich der Magnete ein leichtes Übergewicht zugunsten der Abstoßung vorgesehen
wird, kann das Schaltteil dem bei hoher Relativdrehzahl zwischen
An- und Abtrieb (d.h. den beiden Kupplungshälften) schnellen Wechsel zwischen Anziehung
und Abstoßung
wegen seiner Massenträgheit
nicht folgen und verbleibt somit im Freischaltzustand, bis die Relativdrehzahl
zwischen An- und Abtrieb (d.h. den beiden Kupplungshälften) so
weit abnimmt, daß die
axiale Bewegung des Schaltteiles dem Kraftverlauf der Magnetanordnung
folgt und die Kupplung wieder einrastet.
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Die
DE-OS 29 32 661 zeigt eine Überlastkupplung
mit zwei relativ zueinander verschiebbaren und verdrehbaren Kupplungshälften mit
der Form eines Topfes, wobei in der Stirnseite der Umfangswand des
einen Topfes feststehende Mitnehmer als Drehmoment-Übertragungskörper und
auf der Stirnseite der Umfangswand des anderen Topfes entsprechende
Ausnehmungen angeordnet sind, in die die Mitnehmer eingreifen. Im
Boden des eines Topfes sind ein ringförmiges ferromagnetisches Rückschlußelement
und vier Permanentmagnete von kireisringsegmentartiger Form angelegt,
wobei die Segmente sich an den Seitenkanten berühren. Die andere topfförmige Kupplungshälfte ist
ebenfalls ferromagnetisch.
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Aus
der DE-OS 37 43138 ist eine schleifringlose, elektromagnetische Überlastkupplung
bekannt, die Drehmoment-Übertragungskörper besitzt.
Eine Ankerscheibe, die durch einen Elektromagneten angezogen werden
kann, ist mit einem Schaltteil verbunden.
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Nach
der DE-OS 4215 853 A1 kann bei einer spielfreien mechanischen Überlastkupplung
eine Ankerscheibe entweder durch einen Permanentmagneten oder einen
Elektromagneten angezogen werden. Bei Verwendung eines Permanent magneten
kann in dessen Nähe
ein Elektromagnet angeordnet sein, der zum Wiedereinrasten der Kupplung
entgegengesetzt zum Permanentmagneten magnetisiert wird.
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Der
US-PS 35 59 784 ist eine Überlastkupplung
zu entnehmen, mit Kugeln als Drehmoment-Übertragungskörpern, die
in Ausnehmungen einer Ankerscheibe eingreifen, die von einer Elektro-Magnetspule
angezogen werden kann.
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Der
Magnetkörper
nach der DE-AS 12 33 673 für
eine magnetisch betätigte
Scheibenreibungskupplung oder -bremse hat einen zum Einrücken dienenden
Dauermagneten und einen zum Ausrücken dienenden
Elektromagneten, der dem Dauermagneten entgegenwirkt. Die Dauermagnete
sind auf einem konzentrischen Kreis angeordnet und haben entweder
die Form von quadratischen oder ringartigen Körpern. sie sind in Kunstharz
eingebettet.
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Die
Kupplung nach der FR-PS 14 87 492 arbeitet mit Übertragung des Drehmomentes
ausschließlich
durch die von Permanentmagneten erzeugten Magnetfelder. Dazu sind
in erheblichem axialem Abstand zwei gleichachsige flache Kupplungsscheiben
vorgesehen, in deren einander zugewandten Stirnflächen Permanentmagnete
eingelassen sind, die auf einander gegenüberliegenden Kreisen gleichen
Durchmessers angeordnet und abwechselnd gepolt sind. Die Permanentmagnete
haben eine zylindrische, halbzylindrische, kubische oder parallelpipedische
Form. Die Permanentmagnete können
auf zwei konzentrischen Kreisen angeordnet sein.
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In
der nachfolgenden Beschreibung sind an Hand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele
der Erfindung beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
im Längsschnitt,
oben in der gekuppelten, unten in der entkuppelten Stellung.
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1A einen Schnitt längs der Linie A – A in 1
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1B einen Schnitt längs der Linie B – B in 1
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2, 2A und 2B ein
zweites Ausführungsbeispiel
in der Darstellung wie 1 bis 1B
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3, 3A und 3B ein
drittes Ausführungsbeispiel
in der Darstellung wie 1 bis 1B und 2 bis 2B.
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Die
Kupplung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
besteht zunächst
wie üblich
aus zwei Kupplungshälften,
nämlich
der Nabe 3 und dem Druckflansch 7, deren einander
zugewandte, ebene Stirnflächen
zwischen sich einen vorzugsweise einstellbaren Luftspalt L aufweisen.
Zum Zwecke der Drehmomentübertragung
sind in einem Flansch der Nabe 3 auf einem Kreis axiale
Bohrungen 4 angeordnet, in denen sich in Achsrichtung verschiebliche Drehmoment-Übertragungskörper, hier
Kugeln 5, befinden. Diese Körper greifen im eingekuppelten
Zustand in vorzugsweise kegelige Vertiefungen 6 im Druckflansch 7 ein.
Im Schaltteil 8 sind Gewindestifte 9 vorgesehen,
durch die die Kugeln 5 gegen die Vertiefungen 6 gedrückt werden
und durch die der Luftspalt L eingestellt werden kann. Zur Herstellung der
kupplungsinternen Haltekraft sind vorzugsweise in beiderseits gleicher
Anzahl in den Stirnflächen
der Kupplungshälften 3, 7 Permanentmagnete 1 eingebettet.
Diese sind auf Kreisen gleichen Durchmessers mit gleicher Polarität angeordnet.
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Im
eingekuppelten Zustand muß die
Anziehungskraft der axial gegenüberstehenden
Permanentmagnete 1 und der Flächen aus magnetischem Werkstoff 2 der
beiden Kupplungshälften
so aufeinander abgestimmt sein, daß eine genügende Anziehung stattfindet,
um die im Kraftfluß (entlang
des strichpunktierten Pfeils X-Y) durch die Kupplung liegenden Drehmoment-Übertragungskörper bis
zum vorbestimmten Grenzdrehmoment in ihrer das Drehmoment übertragenden
Stellung zu halten.
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Bei
Auftreten eines Überlastfalles
findet eine relative Verdrehung zwischen der Nabe 3 und
dem Druckflansch 7 statt, d.h. die Kugeln 5 werden
entgegen der kupplungsinternen magnetischen Haltekraft aus ihren
zugehörigen
Vertiefungen 6 herausgehoben und -geschoben, die beiden
Kupplungshälten 3, 7 werden
entkuppelt. Das bewirkt eine Vergrößerung des Luftspaltes L über das
Schaltteil 8. Infolge der relativen Verdrehung der beiden
Kupplungshälten 3, 7 stehen
sich im Umlauf abwechselnd Permanentmagnete 1 mit gleicher
Polung oder abwechselnd gleichgerichtete Permanentmagnete 1 und
magnetischer Werkstoff 2 gegenüber. Also tritt zwischen der
Nabe 3 und dem Druckflansch 7 abwechselnd Anziehung und
Abstoßung
auf. Durch geeignete Bemessung der Flächen der Permanentmagnete 1 bzw.
derselben und der Flächen
des magnetischen Werkstoffs 2 wird erreicht, daß die mittlere
Kraft leicht negativ, d.h. abstoßend wird und die Kupplung
somit entkuppelt bleibt.
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Da
das Schaltteil 8 infolge seiner Trägheit der raschen Aufeinanderfolge
der Anziehungs- und Abstoßungskräfte nicht
folgen kann, bleibt es bei einer ausreichend hohen Relativdrehzahl
zwischen den beiden Kupplungshälften
beim entkuppelten, d.h. "freigeschalteten" Zustand. Das Schaltteil 8 liegt rückwärts an einem
Sprengring 10 an, der seine Bewegung begrenzt.
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Bei
einer ausreichenden Verringerung der relativen Drehzahl von Nabe 3 und
Druckflansch 7 kann das axial bewegliche Schaltteil 8 dem
Verlauf der axial wirkenden Anziehungs- und Abstoßungskräfte schließlich doch
folgen, d.h. unterhalb einer bestimmten Relativdrehzahl zwischen
den beiden Kupplungshälften
rastet die Kupplung wieder ein, indem die Kugeln 5 der
magnetisch erzeugten kupplungsinternen Haltekraft folgend in ihre
zugehörigen Vertiefungen 6 eintreten,
so daß die
Drehmomentübertragung
im Sinne des Pfeils X-Y wieder aufgenommen wird.
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Bei
der Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels nach 2 bis 2B sind die dem ersten Ausführungsbeispiel
entsprechenden Einzelteile mit größtenteils um den Betrag 10 erhöhten Bezugsziffern
bezeichnet.
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Zum
Unterschied vom ersten Ausführungsbeispiel
sind die Permanentmag-nete 11 und 12 stets abwechselnd
mit dem Nord- und Südpol
nach vorne auf die gegenüberliegende
Kupplungshälfte
weisend angeordnet, und zwar in einem Kreisring, so daß die einzelnen
Permanentmagnete 11, 12 die Form von Kreisringsegmenten
haben, die praktisch ohne Zwischenraum dicht aneinander liegen.
Die Breite der mit dem Nordpol nach vorne weisenden Permanentmagnete 11 ist
dabei größer als
die Breite der anderen Permanentmagnete 12, deren Südpol nach
vorne weist. Hierdurch wird erreicht, daß wiederum bei Gegenüberstehen
gleichartiger Magnetpole eine dem Betrage nach höhere Abstoßkraft erreicht wird als die Anziehungskraft
bei Gegenüberstehen
verschiedenartiger Magnetpole.
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Das
Schaltteil 18 ist mittels einer Verzahnung 111 axial
auf der Nabe 13 axial verschiebbar. Eine Feder 115,
vorzugsweise eine Tellerfeder, unterstützt die Magnetanordnung beim
Halten des Schaltteiles 18 in der eingekuppelten Stellung.
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Auch
hier ist es möglich,
durch eine geeignete Bemessung der Permanentmagnete 11, 12 und ggf.
der Feder 115, eine ausreichende Anziehungskraft im eingekuppelten
Zustand zu erreichen, ebenso eine ausreichende Abstoßungskraft,
die die Kupplung im entkuppelten Zustand hält.
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Im übrigen ist
die Wirkungsweise dieser Kupplung gleich derjenigen nach dem ersten
Ausführungsbeispiel.
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Bei
der Beschreibung des dritten Ausführungsbeispieles nach den 3 bis 3B sind die Bezugsziffern einander entsprechender
Einzelteile größtenteils
mit gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel
um den Betrag 20 erhöhten
Bezugsziffern bezeichnet.
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Im übrigen entspricht
entspricht dieses Ausführungsbeispiel
dem zweiten mit den folgenden Unterschieden:
Die Breite der
Permanentmagnete 21, 22 ist gleich, weil bei Relativdrehung
zwischen Nabe 23 und Druckflansch 27 die Anziehungskraft
gegenüberstehender verschiedenartiger
Magnetpole und die Abstoßkraft
gegenüberstehender
gleichartiger Magnetpole dem Betrage nach gleich sein sollen. Der
Freischaltzustand der Kupplung bei Relativdrehung zwischen Nabe 23 und
Druckflansch 27 wird durch Federn, vorzugsweise mittels
einer Schraubenfeder 212 aufrechterhalten.
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Die
Drehmomentübertragungskörper 25 liegen
einerseits in den Vertiefungen in einer radial offenen Verzahnung 213 der
Nabe 23 und greifen andererseits in gegenüberliegend
schräg
nach innen gerichtete Vertiefungen 26 des Druckflansches 27 ein, die
Feder 115 fällt
weg, dafür
ist eine Druckfeder 212, vorzugsweise Schraubendruckfeder,
vorgesehen, die über
einen Federring 216 die Drehmoment-Übertragungskörper 25 gegen
einen Druckring 214 drückt.
Diese Druckfeder 212 sorgt im entkuppelten, d.h. "freigeschalteten" Zustand dafür, daß zusätzlich die
Drehmoment-Übertragungskörper 25 stets
am Druckring 214 anliegen und nicht an den Vertiefungen 26 des
Druckflansches 27 rattern, und daß bei Relativdrehung zwischen
Nabe 23 und Druckflansch 27 die Abstoßungskraft
leicht überwiegt
und somit der Freischaltzustand aufrechterhalten bleibt.
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- 1
- Permanentmagnete
- 2
- Werkstoff
- 3
- Nabe,
Kupplungshälfte
- 4
- Bohrungen
- 5
- Kugeln,
Drehmoment-Übertragungskörper
- 6
- Vertiefungen
- 7
- Druckflansch,
Kupplungshälfte
- 8
- Schaltteil
- 9
- Gewindestifte
- 10
- Sprengring
- 11
- Permanentmagnet
- 12
- Permanentmagnet
- 13
- Nabe
- 14
- Bohrungen
- 15
- Kugeln
- 16
- Vertiefungen
- 17
- Druckflansch
- 18
- Schaltteil
- 19
- Gewindestifte
- 21
- Permanentmagnet
- 22
- Permanentmagnet
- 23
- Nabe
- 24
- Verzahnung
- 25
- Drehmoment-Übertragungskörper
- 26
- Vertiefungen
- 27
- Druckflansch
- 28
- Schaltteil
- 110
- Sprengring
- 111
- Verzahnung
- 115
- Tellerfeder
- 210
- Sprengring
- 212
- Schrauben-Druckfeder
- 213
- Verzahnung
- 214
- Druckring
- 216
- Federring
- L
- Luftspalt