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Kennwort: "Keilkupplung+ Zusatz"
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Kupplung zum starren Verbinden zweier gleichachsiger Maschinenteile
und Verwendung einer solchen Kupplung an einer Gelenkkupplung Die Erfindung betrifft
eine Kupplung zum starren Verbinden zweier gleichachsiger und zum uebertragen von
Drehmoment geeigneter Maschinenteile, z.B. zweier Wellen, mit zwei Kupplungshälften,
die mit Stirnflächen aneinander stoßen und durch Verbindungselemente miteinander
verspannbar sind. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen Kupplung
als Verbindungselement zwischen einem Teil einer Gelenkkupplung und einem daran
anschließenden Maschinenteil.
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Zu den bekannten Kupplungen der genannten Art gehören beispielsweise
die Scheibenkupplungen. Dort sind die Kupplungshälften als Flansche ausgebildet,
die mit ebenen, senkrecht zur Drehachse angeordneten Stirnflächen aneinander stoßen
und durch Schrauben oder ähnliche Verbindungselemente miteinander verspannt werden.
Dabei erfolgt die ubertragung von Drehmoment allein durch Reibschluß unter Zugbeanspruchung
der Schrauben. Dem übertragbaren Drehmoment sind hierbei Grenzen gesetzt, wenn unter
beengten Platzverhältnissen die Flansche nicht beliebig groß ausgebildet werden
können.
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Zum Befestigen von Rädern, Scheiben o.dgl. auf einer Welle ist es
bekannt, kegelige Sitze zu verwenden (DE-AS 1 066 818). Auch sind Reibungs-Schaltkupplungen
mit kegeligen Reibflächen bekannt. Man weiß, daß in derartigen Kupplungen, bei denen
die Kupplungshälften mit kegeligen anstatt mit ebenen Stirnflächen aneinander stoßen,
eine Erhöhung der aufgebrachten Spann- oder Schließkraft stattfindet, so
daß
dementsprechend ein höheres Drehmoment übertragen werden kann.
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Diese Bauweise hat aber den Nachteil, daß die kegeligen Spannflächen
in Achsrichtung viel Platz beanspruchen. Außerdem erfordert ihre Herstellung hohe
Kosten, weil sie mit großer Genauigkeit bearbeitet werden müssen.
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Aus diesen Gründen sind vielerlei weitere Kupplungen bekannt geworden,
in denen andere Maßnahmen getroffen sind, um das übertragbare Drehmoment zu erhöhen.
Solche Maßnahmen sind z.B. die Verwendung von Paßschrauben, das Einlegen eines Querkeiles
zwischen die Stirnflächen der Kupplungshälften (Zeitschrift Konstruktion 197 Seite
427, linke Spalte), das Anbringen einer Stirnverzahnung (DE-PS 440 816) oder das
Anordnen von radial gerichteten Kegelstiften zwischen den Kupplungshälften (DE-AS
1 450 160). Durch solche Maßnahmen wird die genannte Reibschlußverbindung durch
eine Formschlußverbindung ergänzt oder ersetzt. Solche Kupplungen sind eben falls
in der Herstellung teuer. Einige dieser bekannten Kupplungen sind auch empfindlich
gegen Stoß- oder Wechselbeanspruchung, insbesondere die bekannte Kupplung mit Querkeil.
Die Kupplung mit Stirnverzahnung hat den Nachteil, daß diese beim Übertragen von
Drehmoment einen hohen Achsschub erzeugt. Bei einer weiteren bekannten Fortnschluß-Kupplung
(DE-PS 635207) sind in die Stirnflächen der Flansche ineinandergreifende spiralförmige
Rippen und Nuten eingearbeitet.
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Ferner sind in jüngster Zeit speziell zum Verbinden einer Gelenkwelle
mit den daran anschließenden Wellen weitere Vorschläge mit Formschluß-Kupplungen
gemacht worden: Gemäß DE-OS 25 54 574 weisen die Flansche einer Scheibenkupplung
mehrere Gruppen von unter sich parallelen und ineinandergreifenden Zähnen auf. Gemäß
DE-GM 77 05 744 liegen die Berührungsflächen der beiden Flansche einer Kupplung
in einer durch die Drehachse bestimmten Ebene. Auch diese Vorschläge haben den Nachteil
hoher Fertigungskosten.
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Im ubrigen ist allen Formschluß-Kupplungengemeinsam, daß die Kupplungshälften
nicht in jeder beliebigen Lage aneinander gefügt werden
können,
sondern erst durch Verdrehen einer Hälfte in die richtige Position gebracht werden
müssen.
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Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung der eingangs
angegebenen Gattung derart auszubilden, daß sie bei einfascher, raumsparender Bauweise
zum Übertragen hoher, vorzugsweise auch wechselnder Drehmomente geeignet ist.
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Diese Aufgabe nird durch die im Anspruch 1 angegebene Kupplung gelöst.
Danach werden an der Stirnfläche der einen Kupplungshälfte mehrere kreisringförmige
und zur Kupplung konzentrische Rippen vorgesehen, die in entsprechende Nuten der
anderen Kupplungshälfte eingreifen. Die Seitenflächen der Rippen sind geneigt, so
daß insgesamt zahlreiche kegelige und zur Kupplungsachse konzentrische Spannflächen
entstehen. Im Gegensatz zu bekannten Kupplungen, die eine einzige große kegelige
Spannfläche aufweisen, nimmt bei der erfindungsgemäßen Kupplung die Gesamtheit der
(im Längsschnitt gesehen) kleinen kegeligen Spannflächen in Achsrichtung nur sehr
wenig Platz ein.
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Der erfindungsgemäßen Lösung stand die Befürchtung entgegen, daß beim
Zusammenfügen der beiden Kupplungshälften - wenn an den Rippen und Nuten die üblichen
Maßtoleranzen zugelassen werden - nur ein Deil der kegeligen Spannflächen miteinander
in Kontakt kommen würden. ldan glaubte, der für eine sichere Übertragung des geforderten
Drehmoments notwendige Kontakt zwischen den kegeligen Spannflächen könne nur durch
eine sehr präzise und damit teure Bearbeitung der Rippen und Nuten in ausreichendem
Maße erzielt werden.
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Nun wurde aber erkannt, daß man den Querschnitt der Rippen und Nuten
so ausführen muß, daß sich die Rippen beim Zusammenfügen und Verspannen der Kupplungshälften
- beim Vorhandensein gewisser, natürloch nicht zu großer Maßabweichungen - zumindest
elastisch verformen können. Unter Umständen kann beim erstmaligen Zusammenbauen
der Kupplung sogar eine bleibende Verformung der Rippen stattfinden.
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Auf diese Weise werden die Anforderungen an die Herstellungsgenauigkeit
und damit die Fertigungskosten in vernünftigen Grenzen gehalten.
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Allerdings war des weiteren zu befürchten, man müsse für ein etwaiges
Verformen der Rippen die Schraubenkraft und damit die zum Verspannen der beiden
Kupplungshälften erforderliche Zahl der Schrauben erhöhen.
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Dies wäre ein Nachteil; denn die Kupplung soll eine möglichst geringe
Schraubenzahl aufweisen, damit sie bei Bedarf rasch gelöst und auch wieder rasch
zusammengebaut werden kann. Mit anderen Worten: Die Kupplung soll auch als Schnell-Lösekupplung
verwendbar sein. Diese zusätzliche Forderung kann erfüllt werden durch die im Anspruch
2 angegebene besondere Dimensionierung der Rippen. Dadurch erzielt man ein sehr
günstiges Verhältnis zwischen der erforderlichen Schraubenkraft und dem übertragbaren
Drehmoment. Die Rippen und Nuten werden hierbei mit besonders kleiner Querschnittsfläche
und mit verhältnismäßig schlankem Querschnittsprofil ausgerührt.
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Weiterhin wurde gefunden, daß es besonders günstig ist, wenn gemäß
Anspruch 5 die Anzahl der konzentrischen Rippen und Nuten begrenzt wird, d.h. es
werden weniger Rippen und Nuten vorgesehen, als an sich auf den Stirnflächen der
beiden Kupplungshälften angeordnet werden könnten.
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insgesamt Durch die/beschriebenen Maßnahmen werden zwei verschiedene
Vorteile zugleich erzielt: Zum einen ist beim Zusammenbau der beiden Kupplungshälften,
wenn eine Verformung der Rippen notwendig list, der Verformungswiderstand verhältnismäßig
gering, so daß eine kleine Zahl von Spannschrauben ausreicht. Zum anderen ist die
Herstellung einfach, nicht nur weil - wie schon erwähnt - übliche Maßtoleranzen
zugelassen werden können, sondern auch weil bei der Herstellung der Rippen und Nuten
nur wenig Material abgearbeitet zu werden braucht.
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Ein wesentlicher Teilgedanke der Erfindung list, daß die Quersohnittsabmessungen
der Rippen und Nuten für alle - oder doch wenigstens für die überwiegende Zahl der
vorzusehenden - Kupplungsgrößen gleich ausgeführt werden, so daß mit zunehmender
Kupplungsgröße lediglich die Anzahl der Rippen und Nuten erhöht zu werden braucht.
Dies hat auch den Vorteil, daß mit dem gleichen Werkzeug die Rippen und Nuten in
verschiedenen Kupplungsgrößen gefertigt werden können.
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Besonders zweckmäßig ist es, die Rippen und Nuten nur im radial mittleren
Bereich der das Drehmoment übertragenden Stirnflächen anzuordnen, wobei die Stirnflächen
in der Regel Kreisringflächen sind. Dadurch gelingt es, sowohl im radial äußeren
als auch im radial inneren Bereich der Stirnflächen die äußersten Rippen durch "Stützmaterial"
(d.h. durch Bereiche des Kupplungsflansches, die nicht durch Nuten geschwächt sind)
abzustützen (Anspruch 4).
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spielfreie Die erfindungsgemäße Kupplung ist eine dauerfeste,/Spannungs-Verbindung
ohne Formsohluß; d.h. die Drehmomentübertragung findet allein durch HeibschluB statt.
Die Kupplung ist damit auch fUr hohe Beanspruchung unter schwingender Last geeignet.
Zugleich erlaubt es die (gemäß Anspruch 2) festgelegte GröBe des Flankenwinkels
der kegeligen Spannflächen, daß das Lösen der Kupplung ohne besonderen Kraftaufwand
erfolgen kann. Dies ist eine weitere wichtige Voraussetzung für die Verwendung der
Kupplung als Schnelllösekupplung.
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en Weitere zweckmäßige Ausgestaltung/der Kupplung sind in den Unteransprüchen
5 bis 11 angegeben. Wenn die Gesamtheit der Rippen und Nuten einer Kupplungshälfte
gleichzeitig mit einem einzigen Werkzeug eingearbeitet werden soll, ist es zweckmäßig,
die Kupplung gemäß Anspruch 9 zu gestalten. Dadurch kann nämlich ein und dasselbe
Werkzeug für beide Kupplungshälften benutzt werden.
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Der Gedanke des Anspruches 10 ist dann besonders wichtig, wenn die
erfindungsgemäße Kupplung zum Verbinden besonders schwerer Maschinenteile dient,
z.B. im Antrieb eines Walzwerkes, und hierbei als Schnellösekupplung verwendet wird.
In diesem Falle ist es unangenehm, wenn beim Zusammenfügen der Kupplung eines der
zu kuppelnden Maschinenteile mit einer der beiden Kupplungshälften verdreht werden
muß bis die Schraubenlöcher beider Kupplungshälften übereinander liegen. Dieser
Nachteil wird durch die Ausführung gemäß Anspruch 10 vermieden. Dabei hat die Verwendung
mehrerer loser Flanschsegmente gegenüber einem einzigen losen Flansch - abgesehen
von
dem geringeren Gewicht - den Vorteil, daß die Flanschsegmente nach einem Trennen
der zu kuppelnden Maschinenteile ganz von der Kupplung entfernt werden können. Ein
weiterer Vorteil der Bauweise gemäß Anspruch 10 besteht darin daß die Kupplung unter
einem extrem hohen stoßartigen Drehmoment als Sicherheits-Rutschkupplung wirken
kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, die erfindungsgemäße zur Verbindung
einer Gelenkkupplung mit einem daran anschließenden und zum Weiterleiten des übertragenen
Drehmomentes dienenden Maschinenteil zu verwenden. Vorzugsweise handelt es sich
hierbei um Teile von Gelenkwellen, die zum Antrieb von Schwermaschinen, z.B. von
Walzwerken, bestimmt sind. Dort müssen besonders hohe Drehmomente bei schwingender
Belastung und beengten Platzverhältnissen übertragen werden. Bekanntlich umfasst
eine Gelenkwelle zwei Gelenkkupplungen und zwischen diesen eine Teleskopwelle für
den erforderlichen Längenausgleich. Man versucht, in einer für den genannten Einsatzfall
vorgesehenen Gelenkwelle alle kraftübertragenden Einzelglieder, insbesondere die
Gabelköpfe, die Zapfenkreuze und die Wellenteile der Teleskopwelle mit deren Längsverzahnungen,
auf gleiche Dauerfestigkeit zu optimieren. Bei bekannten Gelenkwellen sind die schwächsten
Glieder in dieser "Kette" die Verbindungen zwischen den Gabelköpfen und den Wellenteilen
der Teleskopwelle (bisher als Schweißverbindung oder als Scheibenkupplurig herkömmlicher
Bauart ausgebildet) und die Verbindung zwischen der Gelenkwelle und dem von ihr
anzutreibenden Maschinenteil, z.B. dem Treibzapfen einer Walze. Werden nun für diese
Verbindungen Kupplungen gemäß der hier vorliegenden Erfindung verwendet, so gelingt
es, auch diese Verbindungen auf die gleiche Dauerfestigkeit auszulegen, wie die
übrigen Glieder der Gelenkwelle, ohne daß ein vorgegebener maximal zulässiger Außendurchmesser
überschritten werden muß.
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Ausfuhrangsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung
beschriebenç Darin zeigen:
Fig.l eine Ansicht auf die eine Kupplungshälfte
einer erfindungsgemäßen Kupplung in Richtung des Pfeiles I der Fig.2; Fig.2 die
Kupplung in einem Teillängsschnitt; Fig.3 einen Teillängsschnitt durch das Kreuzzapfengelenk
einer Gelenkwelle mit zwei erfindungsgemäß ausgebildeten Kupplungen, Fig.4 einen
Teillängsschnitt durch ein gegenüber Fig.1 und 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel;
Fig.5 einen Querschnitt nach Linie V-V der Fig.4 in einem gegenüber Fig.4 verkleinerten
Maßstab.
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In den Figuren 1 und 2 ist die eine Kupplungshälfte einer erfindungsgemäß
gestalteten Kupplung mit 41 und die andere Kupplungshälfte mit 42 bezeichnet. Die
beiden Kupplungshälften haben Kupplungsflansche 21, 22, mit deren Stirnflächen 11,
12 sie im zusammengebauten Zustand aneinanderstoßen. Die Stirnfläche 11 des Flansches
21 weist Rippen 43 auf, die in entsprechende Nuten, die in den Flansch 22 eingearbeitet
sind, eingreifen. Die Rippen 43 und die Nuten verlaufen kreisförmig und sind konzentrisch
zur Kupplung angeordnet. Die Rippen 43 können so bemessen sein, wie weiter unten
in den Erläuterungen zu den Fig.4 und 5 angegeben ist. Zum gegenseitigen Verspannen
der beiden Kupplungshälften sind Schrauben 44 vorgesehen. Die Seitenflächen der
Rippen und der Nuten sind derart geneigt, daß sich der Rippenquerschnitt keilartig
verjüngt. Somit kann diese Kupplung Keilkupplung genannt werden. Vorzugsweise sind
an Jeder Rippe die Neigungen beider Seitenflächen gleich. Man erkennt aus Fig.1
und 2, daß die Rippen 43 und die Nuten nur wenig mehr als die Hälfte der kreisringförmigen
Stirnflächen 11> 12 einnehmen, und zwar den radial äußeren Bereich der Stirnflächen.
Vorzugsweise ist die mittlere Breite der Rippen 43 der einen Kupplungshälfte 41
gleich der mittleren Breite der in der anderen Kupplungshälfte 42 zwischen den Nuten
stehenybleibendenRippen.
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Die Fig.3 zeigt Anwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Kupplung
am Beispiel einer Gelenkwelle. Von dieser ist in der Zeichnung nur eines der beiden
Kreuzzapfengelenke 30 sichtbar.
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Dieses Kreuzzapfengelenk 30 umfasst einen ersten Gabelkopf 51 mit
einem Kupplungsflansch 22, der mit einer anzutreibenden Hohlwelle 33 mit Kupplungstlansch
21 verbunden ist, ferner ein Kreuzstück 56 und einen zweiten Gabelkopf 37, der mit
dem Ende 59 einer Teleskopwelle verbunden ist. Die Kupplungsflansche 21 und 22 sind
als eine Keilkupplung gemäß Fig.1 und 2 gestaltet mit kreisringförmigen konzentrischen
Rippen und Nuten, die bei 54 nur schematisch angedeutet sind, und mit Spannschrauben
35. In ähnlicher Weise ist die Verbindung zwischen dem Gabelkopf 37 und der Teleskopwelle
39 als Keilkupplung ausgebildet. Auch dort sind konzentrische Rippen und Nuten vorgesehen,
die bei 38 wiederum nur schematisch dargestellt sind.
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Die in den Figuren 4 und 5 dargestellte Keilkupplung weist gegenüber
dem Ausführungsbeispiel nach Fig.l und 2 noch weitere Ver besserungen auf. Die Kupplung
umfasst wieder zwei Kupplungshälften 51 und 52, die mit Stirnflächen 16, 17 und
18, 19 aneinander stoßen.
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Nur die eine Kupplungshälfte 52 weist einen Kupplungsflansch 27 auf,
durch den die Spannschrauben 54 (z.B, 4 Sfftk) hindurchgeführt sind. Im Gegensatz
zu der Ausführung nach Fig.l und 2 gehört der Kupplungsflansch 27 nicht zum Bereich
der aneinander stoßenden und das Drehmoment übertragenden Stirnflächen, sondern
dient nur noch zum Einführen der Schraubenkräfte. Auf der anderen Kupplungshälfte
sind zum Übertragen der Schraubenkräfte so viele lose Flanschsegmente 55 angeordnet
als Spannschrauben 54 vorhanden sind.
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Anstelle der einzelnen Flanschsegmente 55 könnte auch ein einziger
ringförmiger loser Flansch vorgesehen werden. Jedes Flanschsegment 55 weist in seinem
radial inneren Bereich einen Vorsprung 56 auf, der in eine Ringnut 57 eingreift.
Dadurch sind die Flanschsegmente 55 gegen die Fliehkraft gesichert.
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Die wiederum vorgesehenen kreisringförmigen und konzentrisch angeordneten
Rippen
55 und die entsprechenden Nuten nehmen nur etwa ein Drittel der zur Drehmomentübertragung
dienenden Stirnflächen 16, 17 und 18, 19 ein. Sie sind dabei im mittleren Bereich
der Gesamtheit dieser Stirnflächen angeordnet. Dadurch wird vermieden, daß z.B.
die äußerste Rippe beim Verspannen der Kupplung nach außen gedrückt wird, wie dies
bei der Ausführung gemäß Fig.l und 2 unter Umständen sein kann.
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Es wurde gefunden, daß man die Querschnittsabmessungen der Rippen
bei verschiedenen Kupplungsgrößen gleich ausführen kann.
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Dabei können die Kopfbreite a 2 bis 5 mm, die Höhe h 5 bis 5 m und
der Flankenwinkel b 10 bis 120 betragen. Mit zunehmender Kupplungsgröße wird die
Anzahl der Rippen 53 entsprechend erhöht.
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Wie oben schon angegeben, ist es zur Vereinfachung der Herstellung
zweckmäßig, daß die radial innerhalb der Rippen 55 liegenden rippenlosen Stirnflächenteile
16 und 17 um die Rippenhöhe h gegenüber den radial außerhalb der Rippen befindlichen
Stirnflächenteile 18 und 19 versetzt sind. Weiterhin ist es vorteilhaft, in der
einen Kupplungshälfte eine Eindrehung 61 und in der anderen Kupplungshälfte einen
in die Eindrehung mit weitem Spiel passenden Bund 62 vorzusehen. Dadurch kann beim
Zusammenfügen der Kupplungshälften eine Vorzentrierung bewirkt werden. Um das Einrühren
des Bundes 62 in die Eindrehung 61 zu erleichtern, weist der Bund 62 eine konische
Verjüngung auf.
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L e er s e i t e