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Kupplung für Getriebeteile wie Hohlwellen mit geringen Winkelabweichungen
Die Erfindung betrifft eine Kupplung, für zwei Hohlwellen mit geringen Winkelabweichungen,
die zur übertragung eines Dr-Amomentes und zur .Aufnahme einer axialen Kraft geeignet
isit. Solche Well-en sind z. B. häufig bei Gasturbinentriebwerken vorhanden, bei
denen die Verdichterwelle, die einen. Schub in der einen Richtung aufnimmt, mit
einer gleichachsig angeordneten Turbinenwelle gAuppelt werden muß, die einen entgegengesetzt
gerichteten Schub aufnimmt. Wenn #die, Erfindung im folgenden auch in, der Anwendung
auf ein solches Triebwerk nä!her beschrieben ist, so soll
sie damit nicht
auf diese Anwendung beschränkt ,ein.
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Bei Gasturbinentriebwerken und, anderen Maschinen sind die Querbelastung
und die Länge der Welle oft derart, #daß die W-elle dreimal oder mefir gela,ggert
-,verden#,m#uß. Selbst wenn die Lager beim Zusammenbau mit der größten Genauigkeit
ausgerichtet werden, so verursachen durchtTemperaturänderungenhervorgerufene Verformunggen
bzw. als deren Folgen auftretende Zentrifugalkräfte zusätzliche Beansprudhungen
der Lager und andere Störungem In solchen Fällen siAt man, w-,-:D,11, die Welle
nicht s4Air biegsam ist, lieber mehrere gleichachlsig an"-eo#rdnete Wellenstücke
vor, die je nicht mehr als zweimal gelagert und 11,acb#.-ieb-ia, miteinander
gekuppelt sind, um kleinen Unggenauigkeiten. in der Anordnung der Lager zuentsprechen.
Die Kupplungen müssen Dr-ehmomente und in manchen, Fällen auch Axialkräfte übertra-gen
können. Während die Drehmomentübertragung zwischen zwei nicht genau fluchtenden.
Wellen keine besonderen Schwierig4,zeiten lwreitet, ist die
gleichzeitige
Übertragung van Schub- oder Zugkräften nicht so leicht durchzuführen.
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Die Erfindung sehufft eine Kupplung, die diese Forderungen erfüllt
und daher imstande ist, Drehmomente und- Zugkräfte von einer Welle auf eine andere,
diegegenüber der ersten eine geringe Winkelverstellung -aufweist, zu übertragen.DieseKupp-Iung
i!st verhältnismäßig leicht herzustelleni, kann leitlit auseinandergenommen werden
und unter normalen Bedingungen lange Zeit ohne Wartung arbeiten.
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Die Kupplung nach der Erfindung ist für zwei Hohlwellen vorgesehen,
die zum Übertragen des Drehmomen-tes an ihren Enden mit ineinandergreifenden. Zahnkränzen
od. dgl. versehen -si!nid und zum Übertragen von Axialkräften einen hiegsamen Stab
enthalten, dessen eines Ende in der einen Welle fest eingespaannt, dessen anderes
Ende inder anderen Welle, gegen radiale und axiale Verschiebung gesichert, mornentenifrei
gehalten ist. Erfindungsgemäß ist der biegsame Stab in den Wellen so, an-geordnet,
daß die Eingriffsstelle der inei-nandergreifenden Zahnkränz-- od. dgl. veii-dern
fest eingespannten Ende des Stabes halb so weit entfernt ist wie vom anderen Stabende.
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In der Zeichnung ist die Erfin,dung beispielts weilse dargestellt
tund zwar zeigt Fig. i eine.perspektivitsche Ansicht einer teilweise aufgeschnlittenen
Kupplung, insbesondere für ein Gasttirb#inentriebwerk, Fig. :2 einen Längsschnitt
durch ein Kugelgelenk, das etwas anders ausgebildet ist als das in der Kupplung
gemäß Fig. i vorgesehene und andessen Stelle treten kann.
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Wie aus der Z.#ichnung ersichtlich ist, weist, die Kupplung einen
treibenden Wellenteif 6 auf, der mit der nicht, dargestellten Turbinenwelle
verbunden ist, und einen getriebenen Wellenteil 7, der mit dem nicht dargestellten.
Rotor des Verdich-ters verbunden ist. Beide Wellenteile sin#d# hohl ausgebildet.
Auf der treibenden Welle 6 ist längs verschieblich, aber undrehbar eine glockenförmige
Muffe 8 angeordnet, und zwar mittels eines- Keilnutenp,rofils 9, 99.
An der weiteren. Öffnung der Muffe 8 ist eine Innenverzahriung io vorgesehen,
deren Evolventenzähne im,Grundriß gerade Seitenflächen haben, Auf der getriebenen
Welle7 der Kupplung ist ebenfalls mittels eines Keilnutenprofils 14 eine Muffe ii
längs verschieblich, aber undrehbar angeordnet. Diese Muffe weist auf ihrem der
anderen Welle- zugewendeten Ende ein Zahnrad 12, auf, das mit der Innenverzahnung
io im Eingriff steht. Wie bei- elastischen Kupplungen üblich, ist auch hier ein
Lager 13 in unmittelbarer Nähe der Kupplung vorgesehen. Es dient der Lagerung der
Muffe ii, die durch die auf das Ende der getriebenen Welle 7
aufgeschraubte
Mutter 16 auf dieser Welle festgelegt ist. Die Mutter ist durch das Sicherungisblech
15 gesichert.
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Die Zähne des Zahnrades 12 haben im Grundriß ellipsenartige Seitenflächen.
Dadurch wird zwischen dieser Verzahnung und der Innenverzahnung io der Muffe
8 stets ein im wesentlichen radialer Kontakt vorhanden sein, solange die
Winkelverstellung zwischen den beiden Wellen gering isst. Scl,"ehe Kupplungeni werden.
aber auch nur in Fällen verwendet, bei denen" geringe Winkelverstellungen und -keine
Parallelversetzungen vorkommen, Auch dienen solche Kupplungen nicht etwa als Universalgelenk,
sondern haben nur die Aufgabe, unerwünschte Wirkungen auszuschalten, die durch -kleine
Herstel-lungsungenauigkeiten, und durch im Betrieb auftretende Verformungen entstehen.
Hierbei wird die Beanspruchung der Zähnie der Innenverzahnung io und des Zahnradesi2
bei sämtlichen in Frage kommenden Winkelverstellungen der miteinander gelkuppelten
Wellen ,etwa gleich sein.
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Die einander zugewendeten Enden der miteinander gekuppelten Wellen
6 und 7 sind durch eine indie Welle 7 eingesetzte Büch,se 17
und eine auf die Welle 6 aufgesetzte Büchse 18 mit kugeliger Außenfläche,
die miteinander im Eingriff stehen, ineinander gefehrt. Die Büchsee 17 dient nur
der radialen Führung der --kugeligen Büchse 18 und kann - selbstverständlich
keine axial gerichteten Kräfte auf diese übertragen.
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Fig.:2 zeigt eine andere Ausbildung -dieser Führung. Hier ist eine
Büchse 1811 mit kugeliger Außenfläche auf dem Ende der Welle 6 festgeschraubt.
Sie greift- in eine Büchse 17" mit entsprechender Hohlkugeldläche ein, welche axial
verschiebbar in der getriebenen Welle 7 angeordnet ist. Bei beiden Ausfghrungsformen
können, sich die Wellen 6 und 7 frei um den Mittelpunkt ig bzw. 1911
der kugeligen Büchse 18 bizw. i8a verschwenken, und -dieser Mittelpunkt kann sich
andererseits gegenüber der Welle 7 in axialer Richtung frei verschielben.
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Da durch das soeben beschriebene Kugelgelenk also, -keine axialen
Kräfte übertragen werden können, müssen zur axialen Verbindung der beiden Wellen
6 und 7 andere Mittel vorgesehen werden. Hierzu dient bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel ein Zugglied, das aus einem zylindrischen Schaft 2o besteht,
der an seinem eineu Ende einen zylindrischen Teil:2i größeren Durchmessers aufweist.
Auf die Ringflächen 22 und :22" dieses Teils 21 ist die Holhlwelle 7 aufgeschrurnpft.
Dei- Durchmesser des Schaftes :2o ist beträchtlich kleiner als der der Bdhrungen,
der Wellen6 und 7. Da der Schaft:2o an seinem Fuß:23, d. b, an der Stelle,
an der er in den größeren zylindrischen Teil--i überg,#ht, in -der Welle
7 fest einigespannt ist, kann er erhebliche Zug- und Druckbeanspruchungen
aufnehmen. Die Zugkräfte werden,-durch eine Schulter 24 in der Bdhrung der Welle
7 aufgenommen, gegen die sich der verstärkte Teil :21 des Schaftes 2o anlegt.
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Am anderen Ende weist der Schaft 2o einen Flansch25 und ein Schraubengewinde26
auf. In radialer Richtunig wird dieses Ende in, der Welle 6
durch eine Büdhse
27 gehalten, die ein entsprechendes Muttergewinde aufweist. Dieses
Ge-
winde ist so ausgebildet, daß es axiale, nicht aber
radiale
Kräfte aufnimmt, während die- radiale Führun- des Schaf tes durch den Flansch
z5 erfolgt, 25 el der in den entsprechenden, nicht mit Gewinde verselienen
Teil -der Bohrung, der Büchse:27 eingreift. Der Flansch 25 ist verhältnismäßig
schinal, so, daß seitliche, von der Büchse ausgehende Beanspruchungen des Scha#ftes
praktisch reine Scherkräfte ohne Auftreten eines Biegemoments hervorrufen. Denn
der Rand des Flansches 25 kann als der Kreis betrachtet werden, auf dem die
radialen Beanspruchungen des Schaftes zur Wirkung kommen.
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Es ist wichtig zu erwähnen, daß der Schaft infolge seiner festen Lagerung
in der Welle7 und der durch die Anordnung des schmalen Flansches gegefienen BeanspruchungIln
als einseitig eingespannter Träger mit punktfÖriniger Belastung am freien Ende wir`I:t.
Bei solchen Trägern schneiden die an das eine Ende der Durchbiegungskurve gelegten
Tangenten die Achse des nicht durchgebogenen Trägers stets in einem Punkt, der von
der Einspannstelle ein Drittel so weit entfernt ist wie die Belasttingsstelle. Aus
diesem Grunde ist der in den, beiden' Wellenenden vorgesehene Schaft 20 erfindungsgemäß
in Längsrichtung so angeordnet, daß bei vollkommen gleichachsiger Lage der beiden
Wellen die durch die Berührungspunkte der Zähne des Zahnrades 1:2 und -der Innenyerzahnung
io ge'hende gedacht-, Ebene die Achse des Schaftes 20 in einem Putikt schneidet,
der von, der an dein FUß 23 etwa halb so weit entfernt ist wie vorn der Hohlkehle
29 an dem Flansch 25. In, der genannten Ebene liegt offensichtlich auch der
SchnittpunI.;t der beiden '\#'ellenachsen, wünn diese nicht genau axial ausgerichtet
sind. Die Lage des erwähnten Schnittpunktes der Ebene mit der Achse des Schaftes
ist in Fig. i durch die Entfernungenx und 2x gekennzeichnet. Auf diese Weise sind
die Achsen der beiden Wüllen 7 und 6
stets tangential zu der Durchbiegungslinie
an der EinspannStellt23 b,zw. an, der Belastungsstelle29, woraus sich ergibt, #daß
der Schaft 2o aus,schließlich .einfach auf Bie,'ung beansprucht wird, wenn, die
ZD b
beiden, Kupplungsteile 6 und 7 nicht miteinander fluchten.
Die Beanspruchungen des Schaftes können daher leicht und genau berechnet werden,
so daß der Schaft ohne Risiko sehr kleine Abmessungen und in,foll-,Idessen geringes
Gewicht erhalten kann. Bei dieser Gelegenheit ist noch zu erwähnen, daß das Kugelgelenk
17, 18 'bzw- 17 a, 18a theoretisch nicht notwendig ist und daher fortgelassen:
werden #'£-önlite. Doch, Iringt ein solches Gelenk in der Praxis manche Vorteile.
Natürlich muß der Mittelpunkt dieses Gelenks eben-falls in dem SchnÜtpulikt der
erwähnten gedachten, Ebene mit der Achse des Schaftes 20 liegen.
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Im Betrieb wird das, Drehnioment von der treibenden Welle
6 über das 1,7"eiln,utenprofil 9" ga auf die Muffe 8 und von deren
Innenverzahnung io auf das Zahnrad 12, die Muffe ii und schließlich, von dieser
tüber das Keilnutenprofil 14 auf die getriebene Welle 7 übertragen. Die Innenverzahnung
io und das Zahnrad 12 werden in axialer Richtung durch den Schaft 2o in Eingriff
gehalten. Eine Wiükel-verst,ellun,g zwischen den beiden Wellen-6 und 7 hat
eine entsprechende Verstellung zwischen der Innenverzahnung io und dem Zafin,rad,
12 zur Folge. Da die Zähne des Zahnrades aber elllipsenartigen Querschnftt 'haben,
!können sie sich hierbei an den fä:linen der Inneniverzähnung abrollen, und wenn
diese Winkelverstellung gering ist, wird die Belastungsverteilung bei den einzelnen
Zähnen,dadurch nicht wesentlich beeinträchtigt. Dabei stehen jeweils zwei einander
gegenüberliegende Ulme der Innen,verzähnung und des Za:hnrades infolge der auftretenden
Spannung des Schaftes 20 in. ihrer Mitte in vollem Ein,-riff miteinander.
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Bei einer Winkelverstellung der #beiden Wellen 6
und
7 nimmt der Schaft 2o die normale Durchbiegung eines einseitig eingespannten#,
punktförinig belasteten Trägers an, und die Durchhiegungskurve wird dabei #sanft
in die Achsen der beiden Wellen Übergehen, so daß irgendiwelche in Längsrichtung
auftretende Belastungen sich axial an- den Enden, des Schaftes 2o auswirken. Beim
Drehen des Schaftes mit der Kupplung biegt er- sich frei nach allen Seiten durch,
umi stets die beschriebene ideale Kurve einzunehmen. Seitliche Beanspruchungen über
-das Gewinde26 treten nicht auf, so daß im Betrieb, keine unbekannten Belastunigsfaktoreni
des Schaftes 2:o und, kein Fressen. oder Verschleiß in dein Gewinde selbst auftreten
kännen.