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Zahnkupplung mit einer Einrück-Servovorrichtung Die Erfindung bezieht
sich auf eine Zahnkupplung mit einer Einrück-Servovorrichtung und einem die relative
Phasenlage der Kupplungshälften ertastenden Fühler, welcher die Zahnkränze der Kupplungshälften
teilweise in Eingriff bringt und die Einrück-Servovorrichtung steuert.
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Solche Kupplungen finden Anwendung z. B. in Fahrzeugantrieben zum
Kuppeln einer anfahrenden Gasturbine mit einer bereits laufenden Dampfturbine.
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Eine Kupplung ähnlicher Art ist bekannt, bei der eine schraubbewegliche
Kupplungsmuffe bis zu einem Anschlag geschraubt wird.
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Ein Nachteil dieser Kupplung besteht vor allem darin, daß die schraubbewegliche
Kupplungsmuffe und deren Steilgewinde zur Kraftübertragung herangezogen werden.
Dadurch müssen diese empfindlichen Teile entsprechend stark bemessen werden, wodurch
die Drehzahl und das Drehmoment der Kupplung begrenzt sind.
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Weiterhin ist eine Klauenkupplung bekannt, die mit einer Fremdkraft
eingerückt wird, wobei diese Fremdkraft durch eine Steuereinrichtung so gesteuert
wird, daß der Kupplungsvorgang eingeleitet wird, sobald die Zähne der einen Kupplungshälfte
den Zahnlücken der anderen Kupplungshälfte gegenüberstehen.
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Nachteilig ist bei dieser Kupplung, daß das Einrücken auch dann eingeleitet
werden kann, wenn noch eine Relativdrehzahl zwischen den zu kuppelnden Wellen vorhanden
ist. Aus diesem Grunde ist diese Kupplung nur bei kleinen Drehzahlen anwendbar und
nur dort, wo die Massenträgheitsmomente relativ klein sind.
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Die Erfindungsaufgabe besteht darin, eine Kupplung zu schaffen, welche
die Vorzüge der beiden bekannten Kupplungsausführungen in sich vereinigt, ihre Nachteile
jedoch nicht aufweist. Dieses Ziel wird erreicht, wenn bei einer Kupplung der eingangs
genannten Gattung der Fühler nach Art einer bekannten Zahnkupplung mit Schraubmuffe
und Einrückklinke ausgebildet ist, deren mit der Klinke versehene Schraubmuffe in
der verschieblichen Kupplungshälfte axial beidseitig festgelegt und drehbar geführt
ist und mit der unverschieblichen Kupplungshälfte über ein Steilgewinde an einer
mit der unverschieblichen Kupplungshälfte drehfest und axial verschieblich verbundenen
Hülse derart schraubbeweglich verbunden ist, daß nach Einrasten der Klinken in vorgegebener
relativer Phasenlage der Kupplungshälften und nach Verschrauben der Schraubmuffe
gegenüber der unverschieblichen Kupplungshälfte durch diese Schraubbewegung auch
die einseitig abgeschrägten Zahnköpfe der Kupplungszahnkränze ineinandergeschraubt
und somit die Zahnkränze teilweise in Eingriff gebracht werden und daß zugleich
durch eine mit der axial verschieblichen Kupplungshälfte verbundene Steuereinrichtung
die Einrück Servovorrichtung zum anschließenden vollständigen Einrücken der Kupplungszahnkränze
mittels Fremdkraft zur Wirkung gebracht wird.
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In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß die Betätigung der
Steuereinrichtung und die Übertragung der Fremdkraft auf die axial verschiebliehe
Kupplungshälfte über eine zentral angeordnete Kolbenstange erfolgt. Bei Verwendung
einer hydraulischen Einrück-Servovorrichtung hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
wenn der hydraulische Stellkolben in bekannter Weise zugleich als hydraulischer
Steuerschieber dient. Die Klinken können in bekannter Weise durch Zentrifugalkraft
in ein Klinkenzahnrad eingerückt und durch kegelige Flächen an Ringen ausgerückt
werden, wobei die Ringe vorzugsweise als hydraulische Kolben ausgebildet und vom
Steuerschieber gesteuert sind. Schließlich kann in ebenfalls bekannter Weise zusätzlich
eine Schaltgabel für eine Betätigung der Kupplung von Hand vorgesehen sein.
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Die erfindungsgemäße Kupplung ist beispielsweise in den Zeichnungen
dargestellt.
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F i g. 1 zeigt die . obere Hälfte der ausgerückten Kupplung im Längsschnitt;
F i g. 2 zeigt dieselbe Kupplung nach der ersten Phase des Einrückvorganges im Moment,
da die Fremdkraft (hydraulischer Kolben) wirksam wird;
F i g. 3
zeigt dieselbe Kupplung in ganz eingerückter Stellung; F i g. 4 zeigt einen Schnitt
nach der Linie 1-I in Fig.1; F i g. 5 zeigt einen Schnitt nach der Linie II-II in
Fig.2; F i g. 6 und 7 zeigen eine verfeinerte Form einer erfindungsgemäßen Kupplung
im Längsschnitt und in ganz ausgerückter Stellung; F i g. 8 zeigt einen Schnitt
nach der Linie V-V in Fig.7; F i g. 9 zeigt einen Schnitt nach der Linie IV-IV in
F i g. 6.
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Der Aufbau und die Wirkungsweise einer Kupplung nach der Erfindung
seien zunächst an Hand der F i g. 1 bis 5 beschrieben: Die außenverzahnte Nabe 100
ist fest ve5rbunden mit einer Antriebsmaschine, z. B. mit einer Gasturbine. Die
Kupplungshälfte 101 weist an beiden Enden Innenverzahnungen 102 und
103 auf und ist auf der Nabe 100 axial verschieblich. Die Kupplungshälfte
104 ist unverschieblich und fest verbunden mit der Abtriebswelle 105. In ihre Außenverzahnung
106 kann der Zahnkranz 103 in Eingriff gebracht werden. Stirnseitig sind die beiden-
Verzahnungen 103 und 106 einseitig abgeschrägt. Mit der hohlen Abtriebswelle
105 ist drehfest, jedoch axial verschieblich eine Hülse 107 verbunden. Zwischen
den Teilen 105, 107 ist eine Gleitfeder 122 angeordnet. Auf der Hülse
107 ist ein Klinkenzahnrad 108 schraubbeweglich gelagert. Die Schraubbewegung erfolgt
entlang der Schrägverzahnung 109:
Der Teil 121 ist auf dem Klinkenzahnrad
108 drehbar gelagert und axial beidseitig festgelegt. Er ist außerdem mit der Kupplungshälfte
101 fest verbunden. Somit stützt sich diese im ausgerückten Zustand einerseits
an der Nabe 100 und anderseits über den Teil 121 an der Hülse 107 und der Abtriebswelle
105 ab. Der Teil 121 besitzt eine oder mehrere am Umfang verteilte Kammern
111, in welche Klinken 112 lose eingelegt sind. Unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft
stehend stützt sich jede Klinke mit ihrer äußeren Kippkante 113 an der Außenwand
der Kammer 111 ab. Die Kippkante 113 ist örtlich so gewählt, daß die
Zentrifugalkraft ein Kippmoment erzeugt, welches die Klinkennase leicht an die Verzahnung
110 des Klinkenzahnrades 108 drückt. Solange das Klinkenzahnrad 108 schneller umläuft
als .die Kupplungshälfte 101, gleitet die Verzahnung 110 frei unter den Klinken
112 hinweg. Kehrt sich jedoch die Relativdrehrichtung um und die Kupplungshälfte
101 beginnt sich schneller zu drehen als das Klinkenzahnrad 108, fassen die Klinken
sofort in die Verzahnung 110 ein und stellen zwischen den Teilen
101
und 108 Formschluß her.
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Die Kupplungshälfte 101 und die Teile 121, 108,
112 sind axial
festgelegt durch den hydraulischen Kolben 114 über die Kolbenstange 115 und das
Axiallager 116. Der Kolben 114 ist im feststehenden Zylinder 117 axial verschieblich.
Mit dem Kolben 114 fest verbunden ist ein Steuerschieber mit einer . Steuerkante
118. Öldruck herrscht wechselweise, wie im folgenden näher beschrieben, in den beiden
Ölleitungen 119 und 120.
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Zur Beschreibung der Wirkungsweise der Kupplung sei vorerst angenommen,
daß die normalerweise ..treibende Welle 100 (z. B. die Gasturbine) still stehe und
die Zahnkupplung ausgerückt sei, d. h. die Verzahnung 103 und 106
außer Eingriff seien wie in F i g. 1 dargestellt. Die Kupplungshälfte
101 und der Teil 121 mit den Klinken 112 stehen also ebenfalls still. In
der Leitung 119 herrscht Öldruck; der Kolben 114 ist nach links bis zum Anschlag
gedrückt und hält die Kupplungshälfte 101 in ausgerückter Stellung. Die Abtriebswelle
105 dreht sich, sie wird z. B. durch eine Dampfturbine angetrieben. Zusammen mit
der Abtriebswelle 105 dreht sich ebenfalls die Hülse 107 und das Klinkenrad
108. Letzteres läuft frei unter den Klinken 112 hinweg.
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Soll nun die Antriebswelle (Gasturbine) mit der bereits laufenden
Abtriebswelle 105 gekuppelt werden, wird vorerst das Drucköl von der Leitung
119
auf die Leitung 120 geschaltet. Die Kupplung verharrt weiterhin
in ausgerückter Stellung; der Kolben 114 wird jedoch nicht mehr durch Öldruck nach
links gedrückt, sondern es herrscht beidseitig kein Druck mehr. Aus dieser Bereitschaftsstellung
heraus kann die Kupplung vollautomatisch und stoßfrei einrücken. Wenn die Gasturbine
hochgefahren wird, erfolgt das Einrücken auf folgende Weise: Zusammen mit der Gasturbine
dreht sich auch die Nabe 100 und mit ihr die Kupplungshälfte 101 sowie der Teil
121 mit den Klinken 112. Sobald die Gasturbine sich schneller zu drehen beginnt
als die Abtriebswelle 105, kehrt sich die Relativdrehrichtung zwischen der Klinkenradverzahnung
110 und den Klinken 112 um. Die Klinke 112 erfaßt irgendeinen Zahn der Klinkenradverzahnung,
stellt damit eine formschlüssige Verbindung zwischen der Kupplungshälfte 101 und
dem Klinkenzahnrad 108 her und bewirkt eine Schraubbewegung des Klinkenzahnrades
relativ zur Hülse 107 in Richtung gegen die Kupplungshälfte 104. Diese Schraubbewegung
führt zwangläufig auch die Kupplungshälfte 101 relativ zur Kupplungshälfte 104 aus.
Der Kupplungszahnkranz 103 schraubt sich entsprechend der Steigung der Schrägverzahnung
109 in den Kupplungszahnkranz 106.
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Die Zähnezahlen der Klinkenrad- und Kupplungsverzahnungen sowie die
Anzahl der Klinken sind derart aufeinander abgestimmt, daß beim Einrücken die Verzahnungen
103 und 106 jeweils Zahn-auf-Lücke stehen. Das erwähnte Ineinanderschrauben dieser
Verzahnungen erfolgt zunächst ohne daß sie sich gegenseitig berühren. Die Endstellung
dieser ersten Teilbewegung ist in F i g. 2 dargestellt: Die Verzahnungen 103 und
106 sind in dieser Phase bereits teilweise eingerückt, haben sich aber noch nicht
berührt. Die Kupplungshälfte 101 hat sich gegenüber der Nabe 100 um einen bestimmten
Betrag axial verschoben. Über das Drucklager 116
und die Kolbenstange
115 ist diese Axialverschiebung auch auf den Kolben 114 und die Steuerkante
118 übertragen worden. In dieser Stellung (F i g. 2) beginnt Drucköl aus der Leitung
120 an der Steuerkante 118 vorbei auf die linke Kolbenseite zu strömen. Unter
diesem hydraulischen Druck werden nun über die Kolbenstange 115 die Kupplungshälfte
101 und mit ihr die Teile 121, 108, 112 und 107 axial verschoben, bis der
Kolben 114 in seine rechte Endlage kommt. Dabei wird die Kupplungsverzahnung
103, 106 ganz eingerückt und in dieser Stellung gehalten. Die vollends eingerückte
Kupplung ist in F i g . 3 dargestellt. In dieser Stellung ist die Hülse
107 axial nur durch die Schrägverzahnung
109 gehalten. Deshalb
kann kein Drehmoment von der Antriebswelle über das Klinkenzahnrad 108 auf die Abtriebswelle
105 übertragen werden, sondern das gesamte Drehmoment wird über die Kupplungshälfte
101 von der Nabe 100 auf die Kupplungshälfte 104. übertragen.
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Das Ausrücken der Kupplung erfolgt durch Ablassen des Drucköls aus
der Leitung 120 und Zuführen von Drucköl durch die Leitung 119. Der Kolben
wird dadurch bis zu seinem linken Anschlag geschoben, wobei zwangläufig alle Kupplungsteile
in ihre Ausgangsstellung zurückgeführt werden, wie in F i g. 1 dargestellt.
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Eine verfeinerte Form einer Kupplung dieser Art ist in den F i g.
6 bis 9 in ausgerücktem Zustand dargestellt. Sie arbeitet im Prinzip gleich der
oben beschriebenen Kupplung.
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Der Teil 1 ist fest verbunden mit der Welle einer Gasturbine für den
zusätzlichen Antrieb eines mittels einer Dampfturbine angetriebenen Schiffes. Die
eine Kupplungshälfte, die sich zusammensetzt aus den Teilen 2 und 3 mit den Innenverzahnungen
2 a und 4, ist auf dem Teil 1 axial verschieblich. Sie besitzt zusätzlich eine Innenverzahnung
5. Der andere Kupplungszahnkranz 6 ist fest mit einem Zahnrad 7 eines Getriebes
verbunden, das zur Dampfturbine, dem Hauptantrieb des Schiffes, gehört. Das Zahnrad
7 ist in den beiden Gleitlagern 8 und 9 des Getriebegehäuses 10 gelagert.
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Der Flansch 11 ist zwischen den beiden Teilen 2 und 3 befestigt und
dient als Axialabstützung der Hülse 12. Der Flansch 13 ist fest mit dem Flansch
11 verbunden, dient ebenfalls zur Axialabstützung der Hülse 12 sowie zu deren Radiallagerung.
Die Hülse 12 ist fest mit dem Kolben 14 verbunden, der gleichzeitig als Steuerschieber
dient; auch die weitere Hülse 15 folgt den Bewegungen des Kolbens 14, da diese in
der Hülse 12 radial und axial gehalten ist. Zu deren axialer Haltung hilft auch
die Scheibe 16 mit, die zwischen der Hülse 12 und dem Kolben 14 eingeklemmt ist.
Der Zylinder 17 ist am Getriebegehäuse 10 befestigt und der Zylinderboden 18 zusammen
mit dem Deckel 19 am Zylinder 17 angeschraubt. Der Ölverteiler 20 ist mittels einer
Schraube am Deckel 19 befestigt und ragt in den Kolben 14 hinein.
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Am Flansch 13 ist ein weiterer Flansch 21 zusammen mit der Muffe 22
und dem Flansch 24 befestigt. Die Muffe 22 trägt eine Außenverzahnung 23, die mit
reichlichem Flankenspiel in die Innenverzahnung 5 des Teils 3 eingreift. In der
Muffe 22 sitzt die geschlitzte Hülse 25, deren Kerbverzahnung 30 in diejenige der
Muffe 22 paßt. In den Schlitzen der Hülse 25 liegen Klinken 26 lose beweglich. Die
Distanzhülse 27 sichert die Klinken 26 seitlich gegen Verschiebung. Die Zwischenringe
28 und 29 sind fest mit den beiden Flanschen 21 und 24 verbunden und als Gleitlager
ausgebildet. Alle Kupplungsteile stützen sich über diese Gleitlager auf das Klinkenzahnrad
35 und die Hülse 38 ab.
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Die beiden Ringe 31 und 32, als Kolben ausgebildet, sind axial verschieblich
zwischen den beiden Flanschen 21 und 24, dichten am Innendurchmesser gegen die Zwischenringe
28 und 29 und rücken die Klinken 26 mittels der kegeligen Flächen 33 und 34 aus.
Zwischen und in den beiden Ringen 28 und 29 ist das Klinkenzahnrad 35 drehbar gelagert.
Dieses weist die Klinkenradverzahnung 36 und an seiner Nabe eine Innenschraubverzahnung
37 auf. Die zugehörige Außenschraubverzahnung 60 ist an der Hülse 38 angebracht.
Die Hülse ist axial durch die mit ihr fest verbundenen Ringe 39 und 40 gehalten.
Die Schraubverzahnung 37 und 60 ist einem Steilgewinde gleichzusetzen. Das Klinkenzahnrad
35 ist drehbar und längsverschieblich auf der Hülse 38
gelagert. Die Hülse
38 ist im Ritzel 7 axial verschieb-]ich und mit ihm durch Nut und Feder 43 drehfest
verbunden. Die Schraubverzahnung 37 am Klinkenzahnrad 35 und die Abschrägungen 41
und 42 an der Innenverzahnung 4 und am Kupplungszahnkranz 6 haben die gleiche Steigung.
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Zur Beschreibung der Wirkungsweise der Kupplung sei wieder angenommen,
daß die Gasturbine im Stillstand ist und die Innenverzahnung 4 des Kupplungsteils
3 nicht in den Kupplungszahnkranz 6 eingreift (F i g. 6 bis 9). Die Dampfturbine
läuft, und damit drehen sich auch der Kupplungszahnkranz 6 und das Zahnrad 7 samt
der Hülse 38 und dem Klinkenzahnrad 35 in Richtung des Pfeiles 44. Die Klinken 26
können nicht in die Klinkenradverzahnung 36 eingreifen, da sie von dieser außer
Eingriff gedrückt werden. Außerdem werden die Klinken 26 auch durch die kegehgen
Flächen 33 und 34 der beiden Kolben 31 und 32 außer Eingriff gehalten durch Drucköl
von mittlerem Druck, das durch den Kanal 45 einfließt und gleichzeitig den Kolben
14 in der linken Stellung hält. Der Kanal 45 erhält das Drucköl vom Steuerventil
46 in Richtung der voll ausgezogenen Pfeile; Öl mit niedrigerem Druck (Niederdrucköl)
füllt den Kanal 47 entsprechend den punktierten Pfeilen und den Kanal 48 entsprechend
den strichpunktierten Linien. Zum Teil wird das Öl auch zum Schmieren verwendet.
Gleichzeitig wird der linke Kolbenraum voll Öl gehalten.
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Die Kupplung wird in die Stellung, in welcher sie zu automatischem
Einrücken bereit ist, durch Umstellen des Steuerventils 46 gebracht. Dabei erhält
der Kana147 Drucköl, wodurch die beiden Kolben 31 und 32 mit den kegeligen Flächen
33 und 34 von den Klinken 26 weggeschoben und diese dadurch frei werden. Beide Seiten
des Kolbens 14 sind jetzt mit Niederdrucköl gefüllt. Dadurch, daß die rechte Kolbenseite
größer ist als die linke Seite, wirkt auf den Kolben eine Kraft nach links, die
genügend groß ist, die Kupplung in ausgerückter Stellung zu halten. Die Ringnut
49 ist nun mit Drucköl von mittlerem Druck gefüllt. Die Ringnut 56 ist unabhängig
von der Stellung des Ventils 46 immer mit Niederdrucköl gespeist.
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Mit oder nach dem Umstellen des Steuerventils 46 beginnt die Inbetriebnahme
der Gasturbine. Damit beginnen sich in Pfeilrichtung 44 zu drehen: die Nabe 1, die
beiden Kupplungsteile 2 und 3 samt der Innenverzahnung 4 und der Innenverzahnung
5, die Flansche 11, 13 und 21, die Muffe 22 mit der Außenverzahnung 23, der Flansch
24, die geschlitzte Hülse 25 mit den Klinken 26, und die Distanzhülse 27 sowie die
Ringe 28 und 29 samt den Kolben 31 und 32. Der Kolben 14 und die Hülsen 12 und 15
drehen sich nie, weder in eingerückter noch in ausgerückter Stellung der Kupplung.
Sobald die Drehzahl der Gasturbine bzw. der Klinken 26 und der Muffe 22 eine gewisse
Höhe erreicht hat, werden durch die Zentrifugalkraft die Klinkenteile 51 an die
Verzahnung 36 des Klinkenzahnrades 35 gedrückt, da der Klinkenteil 51 ein
größeres Moment bezüglich der
Kippkante 53 erzeugt als der Klinkenteil
52. Um dieses größere Kippmoment des Klinkenteiles 51 zu erhalten, ist der Klinkenteil
52 mit einer Aussparung versehen. Die Klinke kippt um den Drehpunkt 53. Sobald die
Drehzahl der Muffe 22 etwas größer wird als diejenige des Zahnrades 7 (bzw. des
Kupplungszahnkranzes 6 und damit auch der Hülse 38 und des Klinkenzahnrades 35)
stößt die Nase des Klinkenteiles 52 einer der Klinken 26 gegen die Verzahnung 36
und nimmt diese mit, wie dies in F i g. 4 und 5 dargestellt ist. Dadurch dreht sich
das Klinkenzahnrad 35 in Richtung des Pfeiles 44 gegenüber der Hülse 38 und
schraubt sich mittels der Schraubverzahnung 37 und 60 auf der Hülse 38 entlang.
Durch diese begrenzte Schraubbewegung des Klinkenzahnrades 35, der auch die Muffe
22 und die aus den Kupplungsteilen 2 und 3 bestehende Kupplungshälfte folgen, greifen
die Zähne der Kupplungszahnkränze 4 und 6 ineinander, ohne sich dabei zu berühren.
Die axiale Komponente der vom Steilgewinde 37, 60 verursachten Schraubbewegung der
Kupplungsmuffe bewirkt über den Flansch 11 eine Axialbewegung der Hülse 12, die
die Bewegung auf den Kolben 14 weiterleitet. Dabei muß der Differenzdruck am Kolben
14 überwunden werden. Dieser Kolben wirkt durch die Ringnuten 54 und 55, die in
Abhängigkeit von den Ringnuten 49, 50 und 56 im Ölverteiler 20 angeordnet sind,
zugleich als Steuerschieber. Die obengenannte axiale Bewegung des Kolbens
14
bringt die Ringnut 49 mit der Ringnut 54 in Verbindung, während
gleichzeitig die Ringnut 56 abgeschlossen wird. Dadurch erhält die linke Seite des
Kolbens 14 Drucköl. Diese hydraulische Kraft (Fremdkraft) rückt den Kolben 14 vollständig
nach rechts. Die Kanäle 45 und 48 sind nun mit Niederdrucköl gespeist.
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Durch die Axialbewegung des Kolbens 14 wird über die Hülse 12 und
den Flansch 11 der Kupplungsteil 3 mit der Innenverzahnung 4 ganz in den Kupplungszahnkranz
6 eingeschoben und so die Kupplung ganz eingerückt. Damit ist die Verbindung zwischen
der treibenden Nabe 1 und dem getriebenen Zahnrad 7 hergestellt, ohne daß das Drehmoment
über die empfindlichen Teile, nämlich die Klinken 26 und das Steilgewinde 37, 60
geht.
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Zum Auskuppeln wird nach Drosselung des Antriebs (Gasturbine) das
Steuerventil 46 auf »Ausrücken« nach F i g. 8 gestellt, womit Drucköl über den Kanal
45 in den rechten Kolbenraum des Kolbens 14 fließt und diesen nach links drückt.
Dadurch gehen sämtliche Teile wieder in die ursprüngliche Lage nach F i g. 6 und
7 zurück, wobei die Klinken 26 durch die kegeligen Flächen 33 und 34 der Kolben
31 und 32 ausgerückt werden.
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Es kann zweckmäßig sein, wenn die Bewegungen des Kolbens 14 und damit
auch der zentral angeordneten Hülse 12 nicht nur hydraulisch, sondern auch mechanisch
bewirkt werden können. Hierzu kann an an zwei Zapfen 59 des Schaltkolbens 14 eine
von Hand zu betätigende, bei 58 schwenkbar gelagerte Schaltgabel 57 angreifen.