DE7808895U1 - Kupplung zum starren verbinden zweier gleichachsiger maschinenteile und verwendung einer solchen kupplung an einer gelenkkupplung - Google Patents

Description

G 352l/b4

Kennwort: "Keilkupplung+ Zusatz"

Voith Transmit GmbH, Mülheim/ _Λ uhr

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 übertragen von Drehmoment geeigneter Maschinenteile, z.B. zweier Wellen, mit zwei Kupplungshälften, die mit Stirnflächen aneinander stoßen und durch Verbindungselemente miteinander ver.-pannbar sind. Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung einer solchen Kupplung als Verbindungselement zwischen einem Teil einer Gelenkkupplung und einem daran anschließenden riaschinenteil.

Zu den Dekannten Kupplungen der genannten Art gehören beispielsweise aie 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 erloigt cie Übertragung von Drehmoment allein durch Reibschluß unter Zugbeanspruchung der Schrauben. Dem übertragbaren Drehmoment sind hieroei Grenzen gesetzt, wenn unter beengten Platzverhältnissci die Flansche nicht beliebig groß ausgebildet werden können.

Zurr. Befestigen von Rädern, Scheiben o.dgl. auf einer Welle ist es bekannt, kegelige Sitze zu verwenden (DE-AS 1 066 8l8). Auch sind Reibungs-Schaltkuppiungen mit kegeligen Reibflächen bekannt. Man weiß, daß in derartigen Kupplungen, bei denen die Kupplungshäiften mit kegeligen anstatt mit ebenen Stirnflächen aneinander stoßen, eine Erhöhung der aufgebrachten Spann- oder Schiießkraft stattfindet, so

daß dementsprechend ein höheres Drehmoment übertragen werden kann. 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.

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 vor. Paßschrauben, das Einlegen eines Querkeiles zwischen die Stirnflächen der Kupplungshälften (Zeitschrift "Konstruktion 1977V 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 ebenfalls in der Herstellung teuer. Einige dieser bekannten Kupplungen sind auch empfindlich gegen Stoß- oder Wechselbea lspruchung, 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 Forinschluß-Kupplung (DE-PS 635 207) sind in die Stirnflächen der Flansche ineinandergreifende spiralförmige Rippen und Nuten eingearbeitet.

Ferner sind in jüngster Zeit speziell zum Verbinden einer Gelenkwelle mit den daran anschließenden Wellen weitere Vorschläge mit Formschluß-Kuppiungen 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 liegen die Berührungsflächen der beiden Flansche einer Kupplung in einer durch die Drehachse bestimmten Ebene. Auch diese Vorschläge haben den Nachteil hoher Fertigungskosten.

Im übrigen ist allen Formschluß-Kupplungen gemeinsam, daß die Kupplungshälften nicht in jeder belobigen Lage aneinander gefügt werden

können, sondern erst durch Verdrehen einer Hälfte in die richtige
Position gebracht werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung der eingangs angegebenen Gattung derart auszubilden, daß sie bei einfacher, raumsparender Bauweise zum Übertragen hoher, vorzugsweise
auoh wechselnder Drehmomente geeignet ist.

Diese Aufgabe rfird 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 oei der
erfindungsgemäßen Kupplung die Gesamtheit der (im Längsschnitt gesehen) kleinen kegeligen Spannflächen in Achsrichtung nur sehr wenig Platz ein.

Der erfindungsgemäßen Lösung stand die Befürchtung entgegen, daß
beim Zusammenfügen der beiden Kupplungshälften - wenn an d.en Rippen und Nuten die üblichen Maßtoleranzen zugelassen werden - nur ein
Teil der kegeligen Spannflächen miteinander in Kontakt kommen wurden. Man 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.

Nun wurde aber erkannt, daß man den Querschnitt der Rippen und
Nuuen so ausführen muß, daß sich die Rippen beim Zusammenfügen und Verspannen der Kupplungshälften - beim Vorhandensein gewisser, natürlich nicht zu großer Maßabweichungen - zumindest elastisch verformen können. Unter Umständen kann beim erstmaligen Zusammenbauen der Kupplung sogar eine bleibende Verformung der Rippen stattfinden. Auf diese Weise werden die Anfofderungen an die Herstellungsgenauigkeit und damit die Fertigungskosten in vernünftigen Grenzen gehalten.

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. 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 Schneil-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 ausgeführt.

Weiterhin wurde gefunden, daß es besonders günscig ist, wenn gemäß Anspruch 3 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.

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 ist- der Verformungswiders tand 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.

Ein wesentlicher Teilgedanke der Erfindung ist., daß die Querschnittsabmessungen 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.

Besonders zweckmäßig ist es, die Rippen und Nuten nur im radial mittleren Sereich der das Drehmoment übertragenden Stirnflächen anzuordnen, wobei die Stirnflächen in der Kegel Kreisr.ingflachen sina. 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).

spielfreie

Die erfindungsgemäße Kupplung ist eine dauerfeste, /Spannungs-Verbindung ohne Formschlußj d.h. die Drehmomentübertragung findet allein durch Heibschluß statt. Die Kupplung ist damit auch für liohe Beanspruchung unter schwingender Last geeignet. Zugleich erlaubt es die (gemäß Anspruch 2) festgelegte Größe 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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Weitere zweckmäßige Ausgestaltung/der Kupplung sind in den Unteransprüchen 5 bis Ii 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.

Der Gedanke des Anspruches IG ist dann besonders wichtig, wenn die erfindungsgemäße Kupplung zum Verbinden besonders schwerer Maschinenteile dient, z.B. im Antrieb eines Walzwerkes, und hierbei als Schneilösekupplung 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 «nspruch 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. Sin weiterer Vorteil der Bauweise ζ

gemäß Anspruch 10 besteht darin, daß die Kupplung unter einem ex- "*:

trem hohen stoßartigen Drehmoment als Sicherheits-Rutschkupplung \ί

wirken kann. 3

Besonders vorteilhaft ist es, die erfindungsgemäße zur Verbindung einer Gelenkkupplung mit einem daran anschließenden und zum Weiter- '/i leiten des übertragenen Drehmomentes dienenden Maschinenteil zu verwenden. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Teile von Ge- ■ lenkwellen, die zum Antrieb von Schwermaschinen, 2.B. von Walzwerken, bestimmt sind. Dort müssen besonders hohe Drehmomente bei schwingender Belastung und beengten Platzverhaltnxssen 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 Schweißverbin- i dung oder als Scheibenkupplung herkömmlicher Bauart ausgebildet) \ und die Verbindung zwischen der Gelenkwelle und dem von ihr anzu- ; treibenden 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.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Darin zeigen:

Fig.i 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 ηit zwei erfindungsgemäß ausgebildeten Kupplungen;

Fig.4 einen Teillängsschnitt durch ein gegenüber Fig.l und 2 abgewandeltes Ausführungsbeispiel;

Fig.5 einen Querschnitt nach Linie V-V der Fig.4 in einem gegenüber Fig.4 verkleinerten Maßstab.

In den Figuren 1 und 2 ist die eine Kupplungshälfte einer erfindungsgemäß gestalteten Kupplung mit 4l 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.l und 2, daß die Rippen 43 und die Nuten nur wenig mehl· 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 4l gleich der mittleren Breite der in der anderen Kupplungshälfte 42 zwischen den Nuten stehen bleibenden Rippen.

Die Fig.3 zeigt Anwendungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäße Kupplung am Beispiel einer Gelenkwelle. Von dieser ist in der Zeichnung nur eines der beiden Kreuzzapfengelenke ^O sichtbar. Dieses Kreuzzapfengelenk 30 umfasst einen ersten Gabelkopf 31 mit einem Kupplungsflansch 22, der mit einer anzutreibenden Hohlwelle 33 mit Kupplungsflansch 21 verbunden ist, ferner ein Kreuzstück 36 und einen zweiten Gabelkopf 37, der mit dem Ende 39 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 34 nur schematisch angedeutet sind, und nit Spannschrauben 35. In ähnlicher Weise ist die Verbindung zwischen dem Gabelkopf 37 ^und der Teleskopwelle 39 ^als Keilkupplung ausgebildet. Auch dort sind konzentrische Kippen und Nuten vorgesehen, die bei 38 wiederum nur schematisch dargestellt sind.

Die in den Figuren 4 'tnd 5 dargestellte Keilkupplung weist gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach Fig.l und 2 noch weitere Verbesserungen auf. Die Kupplung umfasst wieder zwei Kupplungshälften 51 und 52, die mit Stirnflächen 16, 17 und 18, 19 aneinander stoßen. N'^Tr die eine Kupplungshälfte 52 weist einen Kupplungsflansch 27 auf, durch den die Spannschrauben 54 (z.B. 4 Stuck) hindurchgeführt sind. Im Gegensatz zu der Ausführung nach Fig.i 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 F.lanschsegmente 55 angeordnet als Spannschrauben 54 vorhanden sind. 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.

Die wiederum vorgesehenen kreisringförmigen und konzentrisch an-

geordneten Rippen -j} und die entsprechenden Nuten nahmen nur etwa ein Drittel der zur Drehmomentübertragung dienenden Stirnflächen 16, 17 und l6, 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.1 und 2 unter Umständen sein kann.

Ez wurde gefunden, daß man die Querschnittsabmessungen der Rippen bei verschiedenen Kupplungsgrößen gleich ausführen kann. Isabel können die Kopfbreite a 2 bis 3 mm, die Höhe h 3 bis ¹J mm und der FlankenwJnkel b 10 bis 12° betragen. Mit zunehmender Kupplungsgröße wird die Anzahl der Rippen 53 entsprechend erhöht.

Wie oben schon angegeben, ist es zur Vereinfachung der Herstellung zweckmäßig, daß die radial innerhalb der Rippen 53 liegenden rippenlosen Stirnflächenteile iö und 17 um die Rippenhöhe h gegenüber den rslial außerhalb der Rippen befindlichen Stirnflächenteiie 18 und 19 versetzt sind. Weiterhin ist es vorteilhaft, in der einen Kupplungshälfte eine iindrehung 61 und in der anderen Kupplungshälfte einen in die Eindrehung mit weitem Spiel passenden Bund 62 vorzusehen,, Dadurch kann beim Zusammenfügen der Kuppiungshälften eine Vorzentrierung bewirkt werden. Um das Einführen des Bundes 62 in die Zindrehung 61 zu erleichtern, weist der Bund 62 eine konische Verjüngung auf.

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1. G 3i>2l/84 Voith Transmit GmbH

   Kennwort: "Keilkupplung+ Zusatz" Mülheim/Ruhr

   s, Anspruch und Zeichnnn^ws««» mir <:<*- wsprfinefehe» bei der Potent -

   ensprüche

   1. Kupplung zum starren Verbinden zweier gleichachsiger und zum Übertragen von Drehmoment geeigneter Maschinenteile, z.B. zweier Wellen, mit zwei Kupplungshälften, die mit Stirnflächen aneinander stoßen und durch Verbindungselemente miteinander verspannbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stirnfläche (11; 16/18) der einen Kupplungshälfte (4l; 51) mehrere kreisringförmige, zur Kupplung konzentrische und geneigte Seitenflächen aufweisende Rippen (43; 53) angeordnet sina, die in entsprechende Nuten der anderen Kupplungshälfte (42; 52) eingreifen,

   2. Kupplung nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Rippen (43; 53),im Querschnitt gesehen, innerhalb der folgenden Grenzen liegen:

   Kopfbreite (a): l bis 5 mm; Höhe (h): 2 bis 10 mm; Flankenwinkel (b): 8 bis i6°.

   J. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (43; 53) und Nuten nur etwa 20 bis 60 % der Stirnflächen (ll, 12; 16/18, 17/19), mit denen die Kupplungshälften (4l, 42; 51, 52) aneinander stoßen, einnehmen.

   k-, Kupplung nach Anspruch 3, mit kreisringförmigen Stirnflächen, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (53) und Nuten im radial mittleren Bereich der Stirnflächen (16/18, 17/19) angeordnet sind.

   Ig 08 895. G

   5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Rippen (43; 53) der einen Kupplungshälfte (4l; 51) gleich den Abmessungen der zwischen den Nuten der anderen Kupplungshälfte (42; 52) befindlichen Rippen sind.

   6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (43; 53) trapezförmigen Querschnitt aufweisen.

   7· Kupplung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der Rippen (43; 53), im Querschnitt gesehen, innerhalb der folgenden Grenzen liegen:

   Kopfbreite (a): 2 bis 3 mm; Höhe (h): 3 bis 5 mm; Flankenwinkel (b): 10 bis 12°.

   8. Kupplung na«h «^.uem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (53) und Nuten nur 25 bis 40 # der Stirnflächen (16/18, 17/19) einnehmen.

   9. Kupplung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der radial innere rippenlose Teil (l6,l7) der Stirnflächen in Achsrichtung um die Höhe (h) der Rippen (53) gegenüber dem radial äußeren rippenlosen Teil (18, 19) der Stirnflächen versetzt ist.

   10. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9* dadurch gekennzeichnet, daß die zum Verspannen der Kupplungshälften

   dienenden Verbindungselemente, z.B. Schrauben/,' radial außerhalb wenigstens einer der beiden Kupplungshälftenfllegen, und daß zur Übertragung der Schraubenkraft auf diese Kupplungsr i

   halfter ein loser Flansch, lose Flanschsegment eP-ofler ähnliche Spannelemente vorgesehen sind.

   11. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 10^ dadurch gekennzeichnet, daß an den Kupplungshälften (51 und 52) zwecks Vorzentrierung ein Zentrierflächenpaar (bei 6l, 62) mit großem Spiel •!v'i