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Gelenkwellenkupplung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Gelenkwellenkupplung für eine Winkelabweichung von mindestens zwei Grad der zu verbindenen Wellen, welche einen Kugelkranz aufweist, der zwischen einem Naben- und einem Hülsenglied angeordnet ist und das Nabenglied umgibt, wobei die Kugeln mit Gleitsitz in teilsphärischen Ausnehmungen des Nabengliedes sitzen und im Hülsenglied achsparallele kreiszylindrische Nuten als Kugelbahnen eingearbeitet sind. Besondere Anwendungen der Erfindung sind für Wellen für den Antrieb von Arbeitswalzen verschiedener Arten von Walzwerken, wie Kaltwalzwerken, Warm- walzwerken, und Kommerzeisen, Rohrwalzwerken, Planieren u. ähnl. Einrichtungen ebenso wie für Erzbrecher.
Diese Kupplungen sind schwer belastet und da der Stillstand eines Walzwerkes sehr kostspielig ist, müssen die Kupplungen für lange Arbeitsperiode verlässlich sein, um hohe Unterhaltskosten zu sparen.
Es sind bereits solche Kupplungen vorgeschlagen worden, bei denen, eine ringförmige Reihe von Zähnen auf einem Kupplungsteil in eine Reihe von Vertiefungen am andern Kupplungsteil eingreift, aber diese Zähne sind von besonderer Form, um ein Nichtfluchten der Wellenachsen zuzulassen und sind dementsprechend kompliziert im Aufbau und teuer in der Herstellung.
Ferner haben bei solchen Kupplungen die Flanken der Zähne der Naben nur Linienberührung in den treibenden und getriebenen Hohlnuten, so dass dies eine hochkonzentrierte Last und Reibung mit Abnutzung bewirkt, die ein häufiges Austauschen der
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Um grosse Lasten in Verbindung mit grossen Winkelabweichungen zu übertragen, werden in den grossen Walzwerken gewöhnlich sogenannte Gleitwellen (slipper type spindles) verwendet, wobei diese Wellen aus einem geneigten Schaft bestehen, der an jedem Ende eine Zunge besitzt, die in Rutschglieder, welche' restzylindrische Oberflächen besitzen, eingreifen, die in gegabelte Enden von ähnlich geformten Gehäusen oder Kupplungsmuffen eingreifen.
Eine Zunge ist an der Kupplungsmuffe und den Rutschteilen befestigt, um die Spindel axial festzulegen und die andere Zunge ist mit einem Schlitz versehen, so dass sie frei auf einer Bolzenhalterung der Rutschteile gleiten kann, entsprechend dem wechselnden Neigungswinkel der Welle. Trotz der ungleichförmigen Geschwindigkeit, die solchen Wellen anhaftet, arbeiten sie ganz gut,
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der gegabelten Enden der Kupplungsmuffe oder Welle ; was in vielen Fällen hohe Instandsetzungskosten bedeutet. Um dieses Auswechseln zu vollführen, müssen der Bolzen entfernt und die Rutschglieder separat abgenommen werden.
Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, eine Kupplung für sehr kleine Winkelabweichungen (weniger als 2 Grade) vorzusehen, in welcher ein ringförmiger Kranz von Kugeln zwischen einer Nabe und einer Muffe angeordnet ist und in Vertiefungen in der Muffe sitzt ; aber diese Konstruktion war nicht ausreichend praktisch, um sich auf dem Markt behaupten zu können und war überhaupt nur für die Übertragung gerin- ger Kräfte und sehr kleiner Winkelabweichungen bestimmt und wurde nicht bei Walzwerkwellen angewendet.
Es sind des weiteren eine ganze Reihe von Konstruktionen bekanntgeworden, die nach Art eines Kugellagers Kugeln zur Kraftübertragung verwenden. Die Kugeln sind dabei entweder in torusförmigen Bahnen geführt oder sitzen in Ausnehmungen des einen Teiles und laufen in zylindrischen Bahnen gleichen Durchmessers. Da sich infolge der komplizierten kinematischen Bewegungsverhältnisse doch erheblicher Rei-
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bungsverschleiss einstellte, wurde auch versucht, einzelne Teile der Bahnen nach besonderen Kurven zu erweitern. Trotz der dadurch bedingten erheblich teureren Herstellung konnten auch dense Ausbildungen in der Praxis nicht befriedigen.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden diese Nachteile bei einer derartigen Kupplung dadurch vermieden, dass der Krümmungsradius der Nuten grösser ist als der Kugelradius, um ein Arbeiten unter der erforderlichen grössten Winkelabweichung zu gestatten.
Während die Wahl der Grösse der Kugeln für die Übertragung jedes gegebenen Drehmomentes von Geschwindigkeit, Stossbelastung und Anwendungsart abhängen kann, steht der Radius der in den Muffen vorgesehenen Nuten in direkter Beziehung zum Teilkreisdurchmesser der Kugelführung, dem Neigungswinkel und zum Radius der Kugel selbst, wobei die Grösse des erforderlichen Radius leicht errechnet werden kann. Es ist ebenso klar, dass, welches immer auch der besondere Neigungswinkel im Betrieb ist, der vorgesehene Neigungswinkel aus praktischen Gründen etwas grösser sein wird, und in der Praxis haben sich Kugeln mit einem Durchmesser, der 10-20 % des Teilkreisdurchmessers der Kugelführungen beträgt, als zufriedenstellend erwiesen.
Das Prinzip, auf dem die Erfindung beruht, verwertet erstens die sehr hohe Belastbarkeit von Stahlkugeln, z. B. etwa. 30 t statischer Last und etwa 300 t Bruchlast für eine Stahlkugel mit einem Durchmesser von etwa 75 mm, zweitens die gleichmässig hohe Qualität und Dimensionsgenauigkeít von Stahlkugeln wie sie allgemein verfügbar sind, und drittens die Eignung der Kupplungen bei der gegebenen durchschnittlichen Herstellungsgenauigkeit und bei wohl eines geeigneten Materiales für die Kupplungsmuffen, welche Nuten von etwa der gleichen Härte wie die Kugeln aufweisen und Naben mit halbkugelförmigen ebenso geeignet gehärteten Ausnehmungen haben, auch bei schwerer Belastung und grossen bis zu 15 Grad betragenden Winkelabweichung zu arbeiten ;
dies auch dann, wenn der Radius der Nuten grösser ist als der Kugelradius, u. zw. um einen spezifischen Wert, der auf den relativen Proportionen von Teilkreisdurchmesser der Kugelführung ; Neigungswinkel und Kugelradius basiert. Der Grund dafür ist, dass während der Rotation jede Kugel nacheinander den Antrieb aufnimmt und die Last über einen kleinen Teil der ganzen Umdrehung trägt oder tragen hilft und dass in diesem Teil die Kugel an der Oberfläche der Nut abrollt, um die last gleich über die Nutoberfläche zu übertragen.
Zwei oder mehr diametral gegenüberliegende Kugeln können die Last in jedem Augenblick teilen, In den halbkugelförmigen Ausnehmungen ist der Reibungskoeffizient entsprechend der grossen Auflagerfläche gering, aber in den Nuten tritt ein hoher Reibungskoeffizient auf, wobei die Kugeln trachten, einen nicht gleitenden Kontakt mit den Oberflächen der Nuten aufrechtzuerhalten und aber so viel als nötig in den Ausnehmungen gleiten können.
Dementsprechend entsteht geringste Abnützung, sowohl in den Ausnehmungen als auch in den Nuten.
Der Nutenradius kann als Funktion von Teilkreisdurchmesser P C R (d. i. von der Achse der Welle Sis zum Kugelmittelpunkt), dem grössten verlangten Neigungswinkel A und dem Radius R. der Kugel wie folgt errechnet werden :
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Muffe kann a. us stahlähnl1cher Qualität gefertigt sein ; auf jeden Fall sollen die Nuten dieselbe Härte haben wie die Kugeln und sollen daher oberflächengehärtet sein. Die Naben brauchen nicht so hart zu sein und können aus einem 0, 5 % Kohlenstoffstahl bestehen und brauchen nicht oberflächengehärtet zu sein.
Fernerhin kann gemäss der Erfindung die richtige axiale Lage des Schaftes dadurch erreicht werden, dass die Naben mit restsphärischen Oberflächen versehen werden, welche mit ähnlichen Flächen in den Kupplungsgehäusen oder Muffen in Eingriff stehen, wobei besagte sphärische Anschläge so beschaffen sind,
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dass sie eine Winkelverschiebung der Welle zulassen, aber das Entweichen des Schmiermittels verhindern.
Die Erfindung wird nun an Hand von Beispielen gemäss den beiliegenden schematischen Zeichnungen beschrieben, worin Fig. 1 eine Ansicht teilweise im Aufriss und teilweise im Schnitt darstellt, die einen Wellenantrieb mit Kupplungen zum Antrieb eines Walzwerkes entsprechend der Erfindung zeigt ; Fig. 2 ist eine Ansicht ähnlich der Fig. 1, die jedoch eine Abänderung zeigt ; Fig, 3 zeigt ein zu beschreibendes Detail und Fig. 4 ist eine schematische Ansicht, die das Prinzip der Erfindung zeigt.
Wie man aus Fig. 1 erkennenkann, ist eine geneigte Welle 10 vorgesehen, um den Antrieb von einem Wellenkupplungsgehäuse oder einer Muffe 8 auf ein anderes Wellenkupplungsgehäuse oder eine Muffe 9 zu übertragen. Die Muffe 9 ist mit dem Wellenstummel6 der. Walze, des Brechers od. ähnl. verbunden. Die Muffe 8 ist mit einer Antriebswelle 7 verbunden. Das obere Ende der Welle 10 trägt eine Nabe 13, die an ihrer Aussenfläche mit einem ringförmigen Satz von teilsphärischen Einpressungen bzw. Vertiefungen 14 versehen ist, in denen gehärtete Stahlkugeln 15 laufen. Diese Vertiefungen haben nur ein geringes Spiel von der Grössenordnung von etwa 0, 025 (z. B.
O, 017 bis 0, 028) pro 24 mm Kugeldurchmesser, so dass die Kugeln einen engen Gleitsitz aufweisen. Ein Haltering 17 ist abnehmbar an der Nabe mittels Schrauben 18 befestigt und der äussere Rand des Halte- ringes besitzt Finger 19 (Fig. 3), die in der Nähe der Kugeln angeordnet sind, um die Kugeln fest in den Ausnehmungen zu halten, dies nicht nur während des Laufes unter Winkelabweichung, sondern auch beim Zusammenbau oder dem Abnehmen des Kupplungsgehäuses.
Die Kugeln greifen in Nuten an einem inneren Flansch 20 der Muffe 8 ein, wobei sich diese Nuten parallel zur Achse der Muffe erstrecken. Die Nabe 13 hat eine teilsphärische Oberfläche 23, die mit einer axial verschiebbaren Dichtung 24 zusammenwirkt.
'Diese Dichtung hat eine entsprechend geformte Dichtfläche und wird durch Federn 26 gegen die Fläche 23 gedrückt, wobei die Federn 26 durch einen Deckel 21 gehalten sind, der durch Schrauben 22 an die Muffe 8 angeschraubt ist, um das Schmiermittel in der Muffe (im Raum 25) zu halten, wobei er aber eine Winkelabweichung zulässt.
So kann die ganze Anordnung von Nabenkugeln, Halteringen und dazugehörigen Teilen an der Welle 10 zusammengebaut werden und als Ganzes jederzeit zur Inspektion entfernt werden, nachdem der Haltedeckel 21 zuerst entfernt wurde.
Das andere Ende der Welle 10 trägt eine Nabe 40, welche ähnliche teilsphärische Vertiefungen oder Ausnehmungen 41 besitzt, die Kugeln 42 halten, welche durch einen Ring 43 gehalten sind und in Nuten am inneren Flansch 44 der Muffe 9 eingreifen. Die Nabe 40 hat eine teilsphärische Oberfläche 47, die mit einer entsprechend geformten Fläche auf einem sowohl die Lage fixierenden als auch das Schmiermittel zurückhaltenden Ring 48 zusammenwirkt, der mit Schrauben 49 an die Nabe angeschraubt ist, wobei dieser Deckel einen schmiermitteldichten Abschluss auf der sphärischen Oberfläche 47 der Nabe bildet, Die Welle 10 mit den Naben ist axial festgelegt durch einen Anschlag der Nabe 40 und des Halteringes 48 mit teilsphärischen Oberflächen durch die Kraft einer Zentralfeder 63 und der Federn 26, die auf die schwimmende Dichtung 24 auf der Nabe 13 wirken,
wobei sowohl die Feder 63 als auch die Feder 26 in der gleichen Richtung wirken. Freiheit für axiale Bewegung besitzt nur die Nabe 13 innerhalb der Muffe 8, um die Vorwärtsbewegung der Nabe 13 auszugleichen, wenn der Neigungswinkel verringert wird oder um-
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um ein ZurückziehenNeigungswinkels während des Betriebes eintritt.
Eine Tragplatte 56 ist mittels Schrauben 57 quer zum Flansch befestigt und besitzt eine zentrale konische Lagerausnehmung, die mit einer Stahlkugel 60, die in eine Aussenkung 65 der Welle 6 eingreift, welche von einem Kolben 61 getragen wird, der sich seinerseits in einer Bohrung der Welle befindet und durch die Feder 63 gegen die Ausnehmung gedrückt wird. Die Federkraft sichert sowohl eine schmiermitteldichte Verbindung als auch eine Kompensation der Abnützung zwischen den restsphärischen Flächen, und in Fällen, wo das Kupplungsgehäuse 9 gleitend auf einen Walzenzapfen (an Stelle auf der Antriebswelle) angeordnet ist, hält sie während des Walzenauswechselvorganges die genannte Muffe 9 axial fluchtend mit der Welle.
In einer in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist eine Welle dargestellt, die besonders zum Antrieb von Arbeitswalzen zwischen den Ständern eines Vielständerwalzwerkes geeignet ist, das bei einem relativ kleinen Neigungswinkel, z. B. maximal 40 arbeitet. Bei dieser Welle ist die in Fig. 1 gezeigte Anordnung insofern umgekehrt, als die Naben 8 und 9 (vorzugsweise dauernd) auf eine Verlängerung der Walzen 6 und 7 aufgeschoben sind und Kupplungsgehäuse oder Muffen gleitend auf dem Wellenkörper mittels einem Vielkeilprofil 51 befestigt sind.
Im Betriebszustand sind das Kupplungsgehäuse oder die Muffen 11 durch einen geschlitzten Ring 52 axial festgelegt, der in eine kreisförmige Rille 103 an der inneren Seite der Nut eingreift. Jede Ringhälf-
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te wird durch zwei oder mehr Hemmschrauben 53 und federnde Unterlagscheiben gesichert. Zwei Ringe 50 aus elastischem Material dienen einem doppelten Zweck, einerseits als Abdichtung für das im Raum 104 enthaltene Schmiermittel und anderseits als axiale Festlegung der Welle gemeinsam mit der Muffe, die sich frei zwischen den Anschlägen 100,101 an der Wellennabe bewegen kann.
Soll eine Walze ausgewechselt werden, so wird der Ring 52 entfernt und die Muffe 11 kann dann mit Hilfe von in ein Loch 102 eingeführten Hebeln axialheráusgereht werden, bis ein Zwischenraum zwischen der Muffe und dem die Kugel haltenden Ring entsteht, worauf die Walze mit der Nabe vollkommen entfernt und durch eine neue mit einer Nabe und zugehörigen Teilen versehene Walze ersetzt wird, wobei die Nabe gut auf den mit Abflachungen versehenen Achsbolzen der Walze gepasst ist.
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Kugeln bewegen sich infolge der Neigung des Basiskreises axial gesehen bei jedem Neigungswinkel der Wellenachsen in einer elliptischen Bahn 89. Alle Kugeln sind mit den Ausnehmungen 71 voll in Eingriff. Die Kugeln 72 und 73 : sind ausser Kontakt mit den Nuten und übertragen in diesen Stellungen keine Last.
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der Rille, und da die Kugel sich von 74 nach 75 bewegt, rollt sie von 94 nach 95. Das Gleiten der Kugel in der Ausnehmung erlaubt, die rollende Berührung von Kugel und Nut aufrechtzuerhalten. Die Kugel 76 hat Kontakt mit einer Nut 70 bei 96. wo der Eingriff aufhört. Die Kugeln 77,78, 79, 80 und 81 übertragen keine Last, übernehmen aber bei 82, 83 wieder Treiblast und rollen in der Nut. Die Kugeln 84,85, 86 und 87 sind wiederum unbelastet.
Die Kontaktzonen der Kugeln und Rillen sind mit 9Q und 91 bezeichnet.
Wenn die Naben und Muffen fluchten, und kein Drehmoment übertragen wird, sind die Kugeln mit allen Rillen in Eingriff, wobei ein kleines Spiel vorhanden ist, das nicht mehr als zirka 0, 025-6, 05 mm pro Kugeldurchmesser beträgt. Wenn das Drehmoment übertragen wird, so sind alle Kugeln gleich belastet.
PATENTANSPRÜCHE :
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Wellen, welche einen Kugelkranz aufweist, der zwischen einem Nahen- und eiTlem Hillseng1ied angeordnet ist und das Nabenglied umgibt, wobei die Kugeln mit Gleitsitz in teilsphärischen Ausnehmungen des Nabengliedes sitzen und im Hülsenglied achsparallele kreiszylindrische Nuten als Kugelbahnen eingearbeitet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius der Nuten grosser ist als der Kugelradius, um ein Arbeiten unter der erforderlichen grössten Winkelabweichung zu gestatten.