DE2440302C3 - Elastische Kupplung - Google Patents

Description

chen Einreißen an ihren Oberflächen innerhalb kürzester Zeiten dann vollständig zerstört wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elastische Kupplung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß das bei der elastischen Kupplung benutzte elastomere Material an seinen Oberflächen die gleiche Dauerfestigkeit hat wie in seinem Inneren.

Bei einer elastischen Kupplung der genannten Art ist diese Aufgabe ^emäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die mit dem Ring aus elastomerem Material in Berührung stehenden Oberflächen der Metallringe einen stärker konvex gebogenen mittleren Teil und leichter ansteigende seitliche Randbereiche haben.

Bei der erfindungsgemäßen Kupplung werden die Oberflächenteile des Ringes aus dem elastomeren Material dadurch gegen eine frühzeitige Zerstörung oder Beschädigung geschützt, daß die auf die Oberflächen einwirkende Belastung klein gegenüber der innerhalb des Ringes wirkenden Belastung ist, wodurch die relative Widerstandsfähigkeit oder Standfestigkeit sowohl der Oberflächen- als auch der Innenteile de;> ringes einander etwa gleich sind. Durch diese Maßnahmen sind die Oberflächenteile des Ringes sehr viel besser und dauerhafter zu schützen als gemäß eines anderen Vorschlages, nach dem die Oberflächen des Ringes mit Hilfe von Schutzschichten gegen ein Einreißen geschützt werden sollten.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine elastische, Gummi als elastomeres Material verwendende Kupplung herkömmlicher «Bauart,

F i g. 2 eine Ansicht zur Erläuterung de^r Wirkungsweise der Kupplung nach Fig. 1,

Fig.3 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen den physikalischen Eigenschaften und der Vulkanisierungsdauer des vulkanisierten Gummis und

F i g. 4 eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Kupplung.

In F i g. 1 ist eine herkömmliche Ausführungsform der Kupplung dargestellt Dabei bezeichnen die Bezugszeichen 1, 3 und 6 jeweils einen äußeren Metailring, einen inneren Metailring und einen Gummiring als Ring aus einem elastomeren Material, der durch eine Vulkanisierungsbehandlung an dem äußeren und dem inneren Metallring ί bzw. 3 befestigt wird. In Fig. 2 ist eine schematische Vorderansicht der elastischen Kupplung nach F i g. 1 dargestellt, wobei das durch die elastische Kupplung zu übertragende Drehmoment durch die Verdrehungskraft des Gummirings 6 von dem äußeren Metallring 1 auf den inneren Metallring 3 und umgekehrt übertragen wird. Herkömmliche elastische Kupplungen sind von de£_Art, bei dem die in F i g. 1 gezeigten Linien ca und bb linear sind. Werden jedoch bei der elastischen Kupplung die Linien aa und bb konkav, wenn sowohl die Linie ab aufjJer Oberfläche des Gummiringes als auch die Linie cd zwischen den Mittelpunkten auf den Gummioberflächen um einen

Winkel ψ durch Einwirkung eines Drehmomentes auf die elastische Kupplung, wobei die Punkte c und a stationär gehalten werden, gedreht werden, so werden der äußere Randpunkt b zu dem Punkt ö'und der äußere Mittelpunkt d zu_dem Punkt d' verschoben, wodurch

ίο sich die Linien ab und c3 zu den Linien ab' bzw. cd' verlängern. Hierbei wird der Scher- oder Schubspannungsmodul, der einen großen Einfluß auf die Bruchfestigkeit und die Haltbarkeit bzw. Lebensdauer des Gummiringes hat, für die elastische Kupplung nach der vorligenden Erfindung durch die folgende Gleichung definiert:

₌ 7 (R₂± R₁) ' - 2(R₂-R₁)''

20

35 hierbei bezeichnen

Ri den Radius des äußeren Randpunktes a des inneren

Metallrings 3,
Ri' den Radius des Mittelpunktes c der konvexen

OLerfläche des inneren Metallringes 3,
R₂ den Radius des inneren Randpunktes b des äußeren

Metallrings 3 und
R₂ den Radius des Mittelpunkte:; d der konvexen Oberfläche des äußeren Metallrings 1.

Werden also die Scher- bzw. Schubspannungsmoduln des mittleren Bereichs und des Oberflächenbereichs des Gummiringes durch 61 bzw. B₂ bezeichnet, wenn die elastische Kupplung um den Winkel φ verdreht wird, wie in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist, so werden die Moduln ει und B₂ durch die folgenden Gleichungen ausgedrückt:

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i - Rf)

und η (R₂ +

Wenn in diesem Beispiel die Metallringe so konvex durchgebogen sind, wie in den F i g. 1 und 2 dargestellt ist, daß die Höhe des mittleren Bereichs des Gummielementes in der Weise kleiner als die der Seitenbereiche ist, daß sich die Beziehungen R₂>R₂' und Ri'>Ri ergeben, so läßt sich der Unterschied zwischen den Schermoduln des mittleren Bereichs und der rsi;enbereiche des Gummiringes aus der folgenden Gleichung ermitteln:

+ Rj)

Ψ_ RjR₂ + R[R₂ - RjR₁ - R(R₁ - RjR₂ -■ RjR₁ + R(R₂ + R[R₁ 2 ' [Ri-RO(R₁ -Ri)

Ψ_ _ R(R₂ - R₂ R₁ 2 ' (Ri- RO(R₂ - R₁) > 0

Deshalb gilt die folgende Beziehung:

η > η-

Aus dieser Beziehung läßt sich ableiten, daß der Schermodul ει in den mittleren Bereich des Gummielementes größer als der Schermodül S2 an den Seitenbereichen ist.

In Anbetracht dieser Beziehung beruht die Kupplung auf dem Konzept, daß die Schermoduln des mittleren Bereichs und der Seitenbereiche des Gummiringes als Funktion der Wirkung der Vulkanisierung, der Verschlechterung und Alterung der Oberflächen und der Größe der Spannungskonzentzration variiert werden, so daß der konstruktive Querschnitt des Gummiringes in bezug auf die Haltbarkeit seiner jeweiligen Bereiche gleichmäßig bzw. gleichförmig ist. Hierbei hängt die Lebensdauer einer elastischen Kupplung dieser Art stark von dem Oberflächenzustand seines Gummiringes ab. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache soll die Lebensdauer der elastischen Kupplung erhöht werden, indem die Haltbarkeit des Oberflächenbereichs des Gummiringes vergrößert und der Aufbau der elastischen Kupplung im Vergleich mit den herkömmlichen Kupplungen vereinfacht wird. Deshalb kann die elastische Kupplung bei einer großen Vielzahl von Anwendungsfällen mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden.

Bei einer elastischen Kupplung, bei der Gummi oder ein elastomeres Material als elastischer Ring verwendet wird, sind der Gummiring und seine Oberflächen, die an den Metallringen angebracht werden sollen, so aufgebaut, daß der Schermodul eines Oberflächenbereichs des Gummiringes kleiner als der eines inneren Bereichs dieses Ringes wird, wodurch die anfängliche Spannung der Oberfläche des Gummiringes eliminiert wird. Damit kann die Verschlechterung der Oberflächeneigenschaften, die unter dem Einfluß des in der Luft vorhandenen Ozons erfolgt und die Haltbarkeit des Gummis oder es eiastomeren Materials bestimmt, vermieden werden, wodurch die spezifische Haltbarkeit oder Lebensdauer verbessert wird Dadurch kann die anfängliche Spannung weitgehend eliminiert werden, die sich sonst in einem bestimmten, örtlich begrenzten Bereich des Gummiringes aufgrund der vorher erfolgenden Druckbehandlung aufbauen könnte, die zur Erhöhung der Haltbarkeit bzw. Lebensdauer eingesetzt wird.

Da das bei einer elastischen Kupplung dieser Art verwendete Gummi üblicherweise durch die Vulkanisierungsbehandlung bei erhöhten Temperaturen an den Metallringen angebracht wird, ist es bekannt daß es für ein Gummi mit einer bestimmten Zusammensetzung einen optimalen Wert für die Aushärte- bzw. Vulkanisierzeit gibt Im folgenden wird auf Fig.3 Bezug genommen, die den allgemeinen Verlauf der Beziehung zwischen den physikalischen Eigenschaften des vulkanisierten Gummis und der Zeitdauer für die Vulkanisierungsbehandlung darstellt die gegen die physikalischen Eigenschaften aufgetragen ist In F i g. 3 bezeichnen die Bezugsbuchstaben B, A und C den optimalen Vulkanisierpunkt den nichtvulkanisierten Bereich bzw. den übervulkanisierten Bereich. Bei den physikalischen Eigenschaften bezeichnen andererseits die Buchstaben T, M δ und Sdie Zugfestigkeit den ModuL die Streckung bzw. Ausdehnung und die bleibende Formänderung oder dauerhafte Spannung bzw. Deformation. Die für die Vulkanisierung erforderliche Zeitspanne wird teilweise durch die Vulkanisierungstemperatur bestimmt; aus wirtschaftlichen und Qualitätsgründen sollte jedoch ein solches Gummi vermieden werden_f da es eine Zusammensetzung hat, die die Vulkanisierungsge* schwindigkeit stark verlangsamt Es läßt sich nicht vermeiden, daß während einer vorher bestimmten Zeitspanne der Vulkanisierung ein bestimmter Temperaturunterschied zwischen der Innenseite und der Oberflächenschicht des Gummis mit einem niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten auftreten wird. Insbesondere für eine elastische Hochleistungs-Kupplung, die für eine Kraft- oder Antriebsmaschine mit hoher Ausgangsleistung benötigt wird, ist in Anbetracht der Dimensions-Ausführung bzw. des Dimensions-Betriebsyerhaltens ein Gummiring mit großer Dicke erforderlieh, so daß sich ein großer Unterschied zwischen der Vulkanisierungstemperatur für dem mittleren Bereich und den Oberflächenschichten des Gummirings ergibt.

Dabei gilt insbesondere folgendes: Wird der mittlere Bereich des Gummiringes der entsprechenden, geeigneten Vulkanisierung unterworfen, dann werden die Oberflächenschichten des Gummiringes in einem Ausmaß vulkanisiert, das die für eine geeignete Vulkanisierung erforderliche Zeitspanne übersteigt. Werden andererseits die Oberflächenschichten der geeigneten Vulkanisierung unterworfen, so reicht die Zeitspanne, die für die Oberflächenschichten erforderlich ist nicht für die optimale Vulkanisierung des mittleren Bereichs des Gummiringes aus, so daß der mittlere Bereich im untervulkanisierten Zustand bleiben wird. Es ist jedenfalls kaum zu vermeiden, daß eine gewisse Ungleichmäßigkeit in der Vulkanisierungsbehandung zwischen dem mittleren Bereich und den Oberflächenschichten des Gummiringes auftritt. Da jedoch der mittlere Bereich des Gummiringes mit dem niedrigen Wärmeübertragungskoeffizienten während der Wärmebehandlung in der Nähe des konvexen Bereichs des Metallrings mit dem hohen Wärmeübertragungskoeffizienten angeordnet werden kann, wird der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung wesentlich verbessert Weiterhin können sowohl die Verringerung des Betriebsverhaltens in bezug auf den Widerstand gegen Alterung als auch die Verbesserung in der Lockerung der Spannungskonzentration an den Oberflächen des Gummiringes — beide Wirkungen rühren

von der leichten Überhitzung der Oberflächenschichten her — ausgeglichen werden, indem in entsprechender Weise der Schermodul der Oberflächenschichten im Vergleich mit dem mittleren Bereich des Gummiringes verringert wird, so daß die Bedingungen für den

so tatsächlichen Einsatz in wirkungsvoller Weise gleichmäßig gestaltet werden können. Da darüber hinaus die Oberflächen des Metallrings und des Gummielementes, die aneinander befestigt werden sollen, krummlinig konvex gebogen sind, kann die Länge der Oberflächen pro longitudinal Einheitslänge des Metallrings im Vergleich mit der der konventionellen elastischen Kupplung vergrößert werden, so daß die Stärke der Oberflächenverbindung für die gleichen Abmessungen wirkungsvoll erhöht werden kann. Aus einer ähnlichen Begründung ergibt sich, daß die Zugspannung der Oberfläche wirksam geschwächt werden kann, die sonst aufgrund des Schrumpfen des Gummis während der Abkühlung nach der Vulkanisierungsbehandlung auftreten würde.

Da bei der elastischen Kupplung die Anzahl der Gummiringe entsprechend dem gewünschten Drehmo-

. ment und dem beabsichtigten Verwendungszweck nach Bedarf ausgewählt werden kann, läßt sich die elastische

Kupplung vielen Drehmomentwerten und Einsatzmög' Henkelten anpassen, so daß sie auf vielen Gebieten eingesetzt werden kann.

Bei der in Fig.4 gezeigten Ausführungsform Weist die elastische Kupplung einen relativ dicken Gummiring auf, so daß es schwierig ist, die Temperaturen für die Vulkanisierungsbeharidlurig zwischen dem mittleren Bef,t?sh und den Oberflächenschichten des Gummiringes gleichförmig zu halten. In Fig.4 bezeichnen die Bezugszeichen 1, 3 und 6 den äußeren Metallring, den inneren Metallring bzw. den Gummiring, der durch die Vulkanisierungsbehandlung an den äußeren und inneren Metallringen 1 und 3 befestigt wird. Die ungleichmäßige Vulkanisierung wird dadurch ausgeglichen, daß die Schermoduln sowohl des Oberflächenbereichs als auch des inneren Bereichs des Gummiringes kontinuierlich so geändert werden, daß sie sich einander nähern, wodurch das Betriebsverhalten und die Lebensdauer der

Dabei gilt im einzelnen folgendes: Wird die Zeitspanne, die zur Vulkanisierung des Gummiringes erforderlich ist, mit T bezeichnet, wird weiterhin die Dicke des Gummiringes mit f bezeichnet, und ist der Wärmeübertragungskoeffizient des Gummiringes A, dann läßt sich empirisch eine Beziehung zwischen diesen Größen aus der folgenden allgemeinen Gleichung erhalten:

T= Al².

Aus dieser Gleichung ergibt sich, daß der Gummiring für die Vulkanisierungsbehandlung während einer Zeitspanne erwärmt werden muß, die proportional zu seiner Dicke ist. Es ist jedoch unmöglich, den mittleren Bereich und die Oberflächenschichten des Gummiringes während unterschiedlicher Zeitspannen zu vulkanisiefen. In der Praxis wird jedoch das Ausmaß der ungleichmäßigen Vulkanisierung zwischen dem inneren mittleren Bereich und den Oberflächenschichten des Gummiringes, die stattfindet, indem zwangsweise die dazwischenliegende Vulkanisierungsdauer ausgeglichen wird, proportional zu dem Quadrat der Gummidicke, wie sich aus der Beziehung zwischen der Gummidicke Und der VulkanisierungsdäUer ergibt. Wird dies berücksichtigt, so werden die Oberflächen A der Metallringe 1 und 3 und des Gummirings 6, die aneinander befestigt werden sollen, so ausgebildet, daß der Querschnitt, in Richtung der Dicke des Gummis gesehen, durch eine solche Kurve gebildet wird, deren Höhe sich proportional zu dem Quadrat der Gummidikke ändert. Wie sich aus Fig.4 ergibt, wird deshalb der Querschnitt so ausgebildet, daß er einen konvex gebogenen mittleren Bereich A und leichter ansteigende, seitliche Randbereiche B hat. Damit wird der ^usrEchnitt so Eus^ebsut, daß die für den Einsatz wesentliche Bedingung, nämlich die Scher- oder Schubspannung, in den Bereichen in der Nähe der Oberflächenschichten mit einem minderwertigen Material abgeschwächt wird, während diese spezifische Bedingung im mittleren Bereich mit einem hochwertigen Material relativ stark zum Tragen kommt, so daß diese Bedingung kontinuierlich von dem zuerst genannten Bereich bis zu dem zuletzt genannten Bereich variiert werden kann. Als Ergebnis hiervon können die auf die jeweiligen Bereiche des Gummiringes ausgeübten Belastungen ausgeglichen werden, so daß durch die teilweisen schwachen Punkte in bezug auf die Lebensdauer keine Verschlechterung der Qualität der gesamten elastischen Kupplung auftritt. Dadurch ergibt sich eine elastische Kupplung mit ausgezeichneten Eigenschaften und Wirkungen.

Hiei7ii 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Elastische Kupplung mit einem inneren Metallising, einem äußeren Metallring und einem zwischen diesen angeordneten Ring aus einem elastomeren Material, wobei die radial äußere Oberfläche des inneren Metallrings radial konvex gebogen ist, die radial innere Oberfläche des äußeren Metallrings radial konvex gebogen ist und die radial innere und radial äußere Oberfläche des Rings aus dem elastomeren Material so radial konkav gebogen ist, daß er gutsitzend an der äußeren Oberfläche des inneren Metallrings bzw. der inneren Oberfläche des äußeren Metallrings befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Ring (6) aus elastomerem Material in Berührung stehenden Oberflächen der Metallringe (I₁ 3) einen stärker konvex gebogenen mittleren Teil (A) und leichter ansteigende seitliche Randbereiche (B) haben.

   Die Erfindung bezieht sich auf eine elastische Kupplung mit einem inneren Metallring, einem äußeren Metallring und einem zwischen diesen angeordneten Ring aus einem elastomeren Material, wobei die radial äußere Oberfläche des innert Metallringf radial konvex gebogen ist, die redial innere Oberfläche des äußeren Metallrings radial konvex ;ebogen ist und die radial innere und radial äußere Oberfläche des Rings aus dem elastomeren Material so radial konkav gebogen ist, daß er gutsitzend an der äußeren Oberfläche des inneren Metallrings bzw. der inneren Oberfläche des äußeren Metallrings befestigt ist.

   Aus der DD-PS 72 945 ist eine als elastische Kupplung wirkende drehelastische Gelenkwelle bekannt, mit der Drehmomente auch von nicht miteinander fluchtenden Wellen aufeinander übertragen werden können. Zu diesem Zweck sind jeweils zwei Gelenke vorgesehen, von denen jedes aus einem Wellenstumpf gebildet ist, auf dem sich ein Gelenklager befindet. Das Gelenklager besteht aus einem in axialer Richtung des Wellenstumpfes verschiebbaren Lagerring, der eine kreisringförmig konvex ausgebildete Außenfläche hat, mit der ein eine entsprechend konkave Formgebung aufweisende. Ring zusammenwirkt, dessen geradlinige Außenfläche mit der Innenmantelfläche einer Hohlwelle verbunden ist, die den Wellenstumpf koaxial umgibt. Aufgrund der konkaven und konvexen Ausbildung des mit der Hohlwelle verbundenen Ringes sowie des auf dem Wellenstumpf axial verschieblirh gelagerten Lagerringes ist eine Kugelgelenkartige Kippbewegung der Hohlwelle gegenüber dem Wellenstumpf möglich, wobei eine Versetzung der Hohlwelle gegenüber dem Wellenstumpf in axialer Richtung gleichzeitig oder auch für sich durch eine entsprechende axiale Verschiebung des Lageringes auf dem Wellenstumpf ausgeglichen Werden kann. Die Außenmantelfläche der Hohlwelle ist an ihrem dem Wellenstumpf zugeordneten Ende ebenfalls kfeisririgförrnig konvex geformt und von einem Gehäuse konzentrisch umgeben, dessen der konvexen Oberfläche der Hohlwelle zugewandter innenmantelteil eine ebenfalls konvex geformte innere Fläche bildet Zwischen dieser in radialer Richtung inneren konvexen Fläche des Gehäuses und der in radialer Richtung äußeren konvexen Fläche der Hohlwelle ist ein Gummiring vorgesehen, dessen radial innere und radial äußere Oberflächen konkav ausgebildet sind, so daß sie an den entsprechenden konvexen Flächen der Hohlwelle und auch der Innenseite des Gehäuses satt anliegen. Die freien Seitenflächen des Gummirings sind jeweils unregelmäßig konkav gekrümmt, wodurch bei einer Biegung des Gummirings hervorgerufene Zug- und Druckspannungen ein Rückstellmoment um den Gelenkmittelpunkt erzeugen, das eine axial fluchtende Aisrichtung des Wellenstumpfes und der Hohlwelle anstrebt Zur weitgehenden Vermeidung von schädlichen Zugspannungen bei einer Gelenkbiegung und einer axialen Verschiebung ist der anvulkanisierte Außenring des Gummirings, also der mit dem Gehäuse verbundene Ring, segmentförmig unterteilt und z. B. mit Hilfe von Bolzen jeweils an der benachbarten Innenwand des Gehäuses befestigt

   Bei der bekannten Kupplung ist eine vom elastischen Ring unabhängige Zentrierung mit Hilfe des Gelenklagers vorgesehen, das zwischen dem starr mit dem äußeren Metallring verbundenen Wellenstumpf und dem inneren Metallring so angeordnet ist daß zwar ein Kippen der Längsachse der mit dem inneren Metallring verbundenen Welle gegenüber der Längsachse der mit dem äußeren Metallring verbundenen Welle und auch eine Verschiebung in Axialrichtung beider Achsen möglich ist, dagegen eine Parallelverschiebung der beiden Wellen in radialer Richtung zueinander unterbunden wird. Die bekannte Kupplung ermöglicht daher Bewegungen in axialer Richtung der Längsachsen der beiden Wellen und auch ein Kippen einer der Achsen der Wellen um das Gelenklager herum, dagegen keine Parallelverschiebung der beiden Wellen in radialer Richtung. Der elastische Ring braucht daher solche Kräfte und Spannungen nicht aufzunehmen, die durch eine solche Parallelverschiebung in radialer Richtung bedingt sind. Andererseits kann abe- auch die bekannte Kupplung daher keine z. B. durch Wärmedehnung bedingte Ausrichtungsfehler der Längsachsen der beiden Wellen zueinander in paralleler Richtung aufnehmen oder absorbieren.

   Eine aus der US-PS 32 45 229 bekannte elastische Kupplung hat im wesentlichen den Nachteil, daß durch die sogenann.e Vorkompressions-Behandlung beim Verbinden der beidin Kupplungsteile mit Hilfe der die äußeren Metallringe zusammendrückenden Bolzen eine

   starke Beanspruchung der Oberfläche des Rings aus dem elastomeren Material auftritt, und zwar sowohl der freien Oberfläche als auch der an der äußeren bzw. inneren Oberfläche anvulkanisierten Flächen. Dieses rührt daher, daß bei der Vorkompression unter der Annahme, daß die radiale Scher- oder Schubbeanspruchung für jeden Bereich gleich ist, die Dicke des Ringes, d. h. die Abmessung in senkrechter Richtung zur radialen Richtung, einen Wert annimmt, der umgekehrt proportional zum Radius des Ringes ist. Daraus ergibt sieh jedoch eine Druekbeanspruehung auf die Oberfläche, die während der Vorkompressions-Behandlung gezogen wird, während eine Zugbeanspruchung auf einen wesentlichen Teil der jeweils gegenüberliegenden Oberfläche wirkt Eine solche Verringerung der Haltbarkeit des Ringes aus dem elastomeren Material führt bei einer solchen elastischen Kupplung aber zwangsläufig zu einer Verminderung der Lebensdauer der gesamten Kupplung, da diese nach einem anfängli*