DE68910132T2 - Eine momentbegrenzende kupplungsanordnung. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentbegrenzende Kupplungsanordnung mit zwei zueinander koaxialen Kupplungselementen, die drehfest mit einer Antriebswelle bzw. einer angetriebenen Welle verbunden sind, und die über zwei einander gegenüberliegende, druckbeaufschlagte Oberflächen miteinander in Eingriff stehen, die eine Reibungsverbindung bilden, welche so dimensioniert ist, daß sie rutscht, wenn das Drehmoment auf die Kupplung einen vorbestimmten Wert überschreitet; und mit einer Einrichtung, die das Auftreten eines Rutschens in der Reibungsverbindung detektiert und der Kupplungselemente bei Auftreten eines Rutschens außer Eingriff bringt oder trennt.
• Drehmoment-begrenzende Kupplungen dieser Art sind in vielen verschiedenen Formen auf diesem Gebiet bekannt. Die Kupplung hat normalerweise die Form einer herkömmlichen Scheibenkupplung mit einer Druckplatte, die mit starker Federkraft angelegt wird. Wenn ein Rutschen auftritt, tritt eine Einrichtung in Funktion und verringert den Druck auf die Druckplatte, um die Kupplung auszukuppeln. Bei einer einfachen Ausgestaltung, die in DE 22 15 053 beschrieben und veranschaulicht ist, wird der Federdruck von Druckluftfedern erzeugt, die über eine Druckluftleitung unter Druck gesetzt werden. Diese Leitung kommuniziert mit einem auf einem Kupplungselement montierten, nach außen ragenden Nippel. Der Nippel ist an einem Ende geschlossen, und wenn zwischen den beiden Kupplungselementen eine Relativdrehung auftritt, wird der Nippel durch ein am anderen der Kupplungselemente vorgesehenes bewegliches Element durchstochen.
• Eine derartige Kupplungsanordnung ist sowohl kompliziert als auch platzaufwendig, insbesondere, wenn sie für hohe Drehmomente bestimmt ist. Ein weiterer Nachteil bei einer Kupplung dieser Art ist, daß, sobald die Kupplung überlastet ist, so daß die Kupplung ausgekuppelt ist und die angetriebene Welle stillsteht, die Kupplung erst wieder eingekuppelt werden kann, wenn der Nippel ersetzt worden ist und die Druckluftfedern wieder unter Druck gesetzt worden sind.
• Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Kupplung der eingangs beschriebenen Art, die von einfacher und verläßlicher Konstruktion ist und die selbst nach mehrjähriger Verwendung verläßlich bleibt; die besonders für hohe Drehmomente ausgelegt ist; und die, wenn sie bei Überlastung ausgekuppelt wird, sofort zur Wiederverwendung bereit ist, ohne irgendwelche der Kupplungsbestandteile ersetzen oder in irgendeiner anderen Form eine Hilfsmaßnahme an der Kupplung vornehmen zu müssen.
• Dieses Ziel wird mit einer Kupplung erreicht, die erfindungsgemäß konstruiert ist und die die kennzeichnenden Merkmale, die in den nachfolgenden Ansprüchen angeführt sind, aufweist. Als Kupplungsanordnung hat die erfindungsgemäße Anordnung die einfachste und kompakteste Konstruktion, die möglich ist, nämlich eine zylindrische Hülse, die starr auf einen zylindrischen Teil geklemmt, vorzugsweise aufgeschrumpft, ist. Bewegliche Teile, d.h. Pumpenmittel, die durch eine gegenseitige Drehung der zylindrischen Teile angetrieben werden, treten erst in Funktion, wenn ein Rutschen zwischen den zylindrischen Teilen infolge einer Überbelastung auftritt. Druckfluid wird mit dem erforderlichen Druck an eine Druckleitung abgegeben, beispielsweise um das Fluid durch in mindestens einer der Reibungsflächen vorgesehene Öffnungen hindurchzudrücken und eine hydrostatische Schicht zu erzeugen, die die beiden zylindrischen Teile trennt, so daß die zwischen diesen erzeugte Reibung minimal ist. Sofort nach Aufhören der gegenseitigen Drehung dieser Teile stellen die Pumpenmittel ihren Betrieb ein, und die hydrostatische Schicht wird dispergiert, um wiederum einen Reibungskontakt zwischen den Kupplungselementen herzustellen. Es wird ein geschlossener Druckfluid-Kreis erreicht, indem in mindestens einer der Reibungsoberflächen Ablaufkanäle vorgesehen werden, wobei der Kreis es möglich macht, daß die Kupplung nötigenfalls über eine lange Zeitspanne ausgekuppelt gehalten wird.
• Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben, worin Fig. 1 ein Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kupplungsanordnung ist, und Fig. 2 schematisch eine alternative Positionierung der Pumpeneinheiten dieser Anordnung zeigt.
• In der Zeichnung ist eine Antriebswelle 1 gezeigt, die durch einen Keil 2 mit einem ersten Kupplungselement verkeilt ist, welches eine erste zylindrische Hülse 3 aufweist, die an einem Ende der Antriebswelle durch Preßpassung angebracht ist und deren freies Ende eine fest darauf montierte erste Nabe 4 hat. Eine zweite oder äußere Hülse 5 mit einer daran angebrachten zweiten Nabe 6, die zu einem zweiten Kupplungselement gehört, ist auf der äußeren zylindrischen Oberfläche der ersten Hülse 3 aufgeschrumpft. Die zweite Nabe 6 hat ein mittiges Loch, in welchem ein Lagerzapfen 7 fest montiert ist, dessen der Antriebswelle 1 zugewandtes Ende unter Zwischenschaltung eines Rollenlagers 8 mit der Welle verbunden ist. Die zweite Nabe 6 ist als Flanschverbindung für eine angetriebene Welle, z.B. eine Kardanwelle in einer für ein auf Schienen angetriebenes Fahrzeug od. dgl. bestimmten elektrischen Einheit, ausgebildet.
• In der ersten Nabe 4 befinden sich sechs radial verlaufende Kolbenpumpen 10, die gleichmäßig um die Nabe herum angeordnet sind. Jede Pumpe enthält eine radiale Bohrung 11, die einen Kolben 12 aufnimmt, wobei der Kolben von einer starken Druckfeder 13, die sich zwischen dem äußeren Ende des Kolbens und einem verschluß 14 befindet, angetrieben wird. Die Feder 13 drückt das innen befindliche Ende des Kolbens 12 gegen einen Außenring 15 eines Nadellagers, dessen Innenring 16 auf einem auf dem Lagerzapfen 7 geformten Exzenter 17 montiert ist. Der Kolben 12 ist auf herkömmliche Weise mit einer Saugöffnung 18, einem axialen Durchflußkanal 19, einem im Kanal angebrachten Saugventil 20 und einer Drucköffnung 21 versehen.
• Die Saugöffnung 18 kommuniziert mit einem Saugdurchlaß 22, der axial durch die erste Nabe 4 verläuft, während die Drucköffnung 21 mit einem Druckduchlaß 23 kommunuziert, der ebenfalls durch die erste Nabe 4 verläuft. Gegenüber der Öffnung des Druckdurchlasses 23 befindet sich ein axialer Auslaßkanal 24. Der Kanal 24 beinhaltet ein Druckventil 25, welches auf bekannte Weise mit der Pumpe 10 zusammenwirkt.
• Ein radialer Kanal 26 verbindet den Auslaßkanal 24 mit einer Umfangsnut 27 in der zylindrischen Außenwand 28 der ersten Hülse 3. Jede der anderen fünf Pumpen 10 ist auf entsprechende Weise mit einer Umfangsnut versehen. Wie im oberen Teil der Fig. 1 veranschaulicht, ist ein weiterer Auslaßkanal 24' über einen weiteren radialen Kanal 26' mit einer weiteren Umfangsnut 27' verbunden. Die Umfangsnuten 27, 27' befinden sich in Achsrichtung im gleichen Abstand von einander. Außerhalb der Nut 27" am von der ersten Nabe 4 entfernten Ende befindet sich eine Umfangsablaufnut 29, die über einen Ablaufdurchlaß 30 mit einem ringförmigen, zwischen den Kupplungselementen angeordneten Druckfluid-Speicherbehälter 31 kommuniziert. Der Behälter 31 kommuniziert nur mit den Saugdurchlässen 22 der jeweiligen Kolbenpumpen 10 und mit dem Ablaufdurchlaß 30. Zwei Verschlußeinrichtungen 32 und 33, die nicht im Detail dargestellt sind, sind zum Füllen des Systems mit Druckfluid, vorzugsweise Öl, und zur Entlüftung des geschlossenen Fluidsystems vorgesehen.
• Bei Normalbetrieb funktioniert die erfindungsgemäße Kupplungsanordnung als Reibungskupplung mit zwei Kupplungshülsen, die durch eine Schrumpfverbindung miteinander verbunden sind, wobei die Verbindung so ausgelegt ist, daß ein Rutschen der Kupplung nur auftritt, wenn das auf die Kupplung aufgebrachte Drehmoment einen vorbestimmten erlaubten Maximalwert überschreitet.
• Wenn dieser Wert erreicht wird, drehen sich die erste Hülse 3 und die erste Nabe 4 in bezug auf die zweite Hülse 5 und die zweite Nabe 6, die den Gelenkzapfen 7 und den Exzenter 17 trägt. Die Kolben 12 werden dann nacheinander durch das exzentrische Nadellager 15, 16 mit großer Kraft nach außen gedrückt und dann durch die Federn 13 wieder zurückgebracht. Wenn das Druckfluidsystem mit Öl gefüllt ist, wird folglich Öl in die Umfangsnuten 27 gedrückt, wodurch die beiden Hülsen 3, 5 genügend weit voneinander getrennt werden, um ein Austreten von Öl aus den Nuten 27 und ein Eintreten in den Ablaufdurchlaß 29 zu ermöglichen, von wo das Öl durch den Ablaufdurchlaß 30 hindurch und zurück zum Behälter 31 fließt. So wird zwischen der ersten und der zweiten Hülse 3 und 5 eine hydrostatische Schicht gebildet, die eine Relativdrehung der Hülsen mit nur sehr geringer Reibung zwischen denselben ermöglicht.
• Das Rutschen zwischen den Hülsen 3 und 5 hört sofort auf, sobald das auf die Kupplung wirkende Drehmoment niedrig genug geworden ist. Die Pumpen 10 hören dann auf zu arbeiten, und das Ol in den Nuten 27 wird drucklos. Folglich wird das Öl aus dem Zwischenraum zwischen den Nuten 27 gedrängt, und der Reibungsschluß zwischen den beiden Hülsen 3 und 5 als Ergebnis der Schrumpfverbindung wird wieder hergestellt.
• Die veranschaulichte und beschriebene Kupplungsanordnung ist vor allem zur Verwendung bei Hochgeschwindigkeitskupplungen oder Kupplungen, die mit einem Pumpenhub pro Umdrehung und Pumpe arbeiten, bestimmt. Bei langsameren Kupplungen kann es günstiger sein, ein Steuerkurvenelement zu verwenden, das die Durchführung mehrerer Pumpenhübe pro Umdrehung und Pumpe ermöglicht. In diesem Fall können die Pumpeneinheiten axial angeordnet sein, wie schematisch in Fig. 2 gezeigt. Diese Darstellung zeigt außen an der äußeren oder zweiten Hülse 5 der Kupplungsanordnung angebrachte eigene Kolbenpumpen 40 und eine starr auf der Welle 1 angebrachte Steuerkurve 41. Kolbenstangen 42, die mit rollenartigen Nockenstößeln 43 versehen sind, übertragen die Pumpbewegung von der Steuerkurve 41 auf die Kolben der Pumpen (nicht dargestellt), wenn zwischen der äußeren Hülse 5 und der Welle 1 eine Relativbewegung eintritt. Mit Ausnahme der Pumpen 10 und des Exzenters 17 ist die in Fig. 2 gezeigte Kupplung die gleiche wie die in Fig. 1 gezeigte, obwohl es bei der Ausführungsform der Fig. 2 günstig sein kann, die Umfangsnuten 27 mit zugehörigen Durchlässen in der äußeren Hülse 5 auszubilden, da die Pumpen 40 auf dieser Hülse angebracht sind.
• Es ist klar, daß die Erfindung nicht auf die veranschaulichten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist; beispielsweise können die Kolbenpumpen 40 der Ausführungsform der Fig. 2 in axialen Bohrungen in der Wand der äußeren Hülse 5 auf eine den Pumpen 10 in den in der ersten Nabe 4 vorgesehenen radialen Bohrungen 11 entsprechende Weise angebracht sein. Die Anzahl der Pumpen kann natürlich je nach dem Druckfluid-Bedarf variieren.

Claims (5)

1. Drehmoment-begrenzende Kupplungsanordnung mit zwei zueinander koaxialen Kupplungselementen (3, 4; 5, 6), die drehfest mit einer Antriebswelle (1) bzw. einer angetriebenen Welle verbunden sind, und die über zwei einander gegenüberliegende, druckbeaufschlagte Oberflächen (28) miteinander in Eingriff stehen, die eine Reibungsverbindung bilden, welche so dimensioniert ist, daß sie rutscht, wenn das Drehmoment auf die Kupplung einen vorbestimmten Wert überschreitet; und mit einer Einrichtung (17) zum Detektieren des Auftretens eines Rutschens in der Reibungsverbindung und zum Außereingriffbringen der Kupplungselemente bei Auftreten eines Rutschens, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibungsverbindung einen zylindrischen Teil (3) aufweist, der mit einem Kupplungselement starr verbunden ist und auf welchem eine zylindrische Hülse (5) mit Preßpassung aufgebracht ist, welche starr mit dem anderen Kupplungselement verbunden ist, und daß sie weiters eine Hochdruckpumpeneinrichtung (10), die von der Detektionseinrichtung (17) angetrieben ist, um Druckfluid einem Auslaßdurchlaß (24) zuzuführen, wenn ein Rutschen in der Reibverbindung auftritt, und eine Mehrzahl von in mindestens einer der Reibflächen ausgebildeten und mit dem Auslaßdurchlaß (24) der Pumpeneinrichtung kommunizierenden Öffnungen (27) aufweist, wobei die Öffnungen so ausgestaltet sind, daß sie zusammen mit den Reibflächen bei Lieferung des Druckfluids eine hydrostatische Schicht bilden.

2. Kupplungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeneinrichtung (10) an einem Kupplungselement (3, 4) angebracht ist; und daß die mit dem Auslaßdurchlaß (24) des einen Kupplungselements verbundenen Öffnungen (27) an der Reibungsfläche desselben Kupplungselements (3, 4) ausgebildet sind.

3. Kupplungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeneinrichtung eine Mehrzahl von Kolbenpumpengehäusen (11) beinhaltet, die sich radial und in gleichmäßigen Abständen voneinander um das eine Kupplungselement (3, 4) erstrekken; und daß die Pumpen Kolbenstangen (12) haben, deren freie Enden zur radialen Aktivierung durch einen auf dem anderen Kupplungselement (5, 6) angebrachten Exzenter (17) ausgelegt sind, wenn sich ein Kupplungselement in bezug auf das andere Kupplungselement dreht.

4. Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Reibungsfläche mit Nuten (29) versehen ist, die mit der Saugseite (18) der Pumpeneinrichtung verbundene Ablaufdurchlässe bilden, um einen geschlossenen Druckfluid-Kreislauf zu bilden.

5. Kupplungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-4, bei welcher eine Mehrzahl von separaten Pumpeneinheiten auf der Druckseite der Pumpeneinrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pumpeneinheit (10) eine bestimmte Gruppe von Öffnungen (27, 27') zugeordent ist, die nur mit dem Druckfluid-Auslaßdurchlaß (24, 24') einer zugehörigen Pumpeneinheit kommunizieren.