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Hydraulisch betätigte Reibungskupplungseinheit Die Erfindung betrifft
eine hydraulisch betätigte Reibungskupplungseinheit mit im Raum drehfest gehaltenem
Arbeitszylinder und konzentrisch zueinander angeordneten An- und Abtriebsteilen,
zwischen denen ein Kupplungsscheiben- oder Lamellenpaket angeordnet ist, dessen
einer Teil drehfest mit einer auf einer Welle des An- bzw. Abtriebsteiles zu befestigenden
Nabe verbunden ist, gegenüber der sich der Arbeitszylinder mittels eines Wälzlagers
axial abstützt, während der in dem Arbeitszylinder verschieblich angeordnete ringförmige
Kolben über eine umlaufende, durch im Bereich des Lamellenpaketes angeordnete Rückstellfedern
belastete Druckplatte auf das Kupplungsscheiben- oder Lamellenpaket einwirken und
eine kraftschlüssige Kupplung zwischen dem An- und Abtriebsteil erzielen kann.
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Derartige hydraulisch betätigte Reibungskupplungseinheiten, die als
universell verwendbare Maschinenelemente eingesetzt werden können, sind an sich
bekannt. Die Kupplungseinheiten sollen so klein und geschlossen wie möglich ausgeführt
sein, dabei gleichzeitig jedoch eine maximale Leistung und Betriebssicherheit gewährleisten.
Diese Anforderungen treten insbesondere bei der Verwendung der Kupplungen in Werkzeugmaschinen
auf, wo in einer Maschine mehrere solcher Kupplungseinheiten angeordnet werden,
die über lange Zeiträume wartungsfrei arbeiten müssen. Dieser Betriebssicherheit
abträglich ist jedoch der Umstand, daß bei den bekannten Kupplungseinheiten Flatterbewegungen
der verschieblichen Teile der Kupplung auf die Dichtflächen zwischen Kolben und
Arbeitszylinder übertragen werden können, was eine erhebliche Belastung der Dichtflächen
zwischen Kolben und Zylinder bedingt. So ist z. B. bei einer aus der französischen
Patentschrift 1222 089 bekannten Kupplungseinheit der eingangs beschriebenen Art
der Arbeitszylinder durch zwei getrennte Lager, nämlich ein Nadellager und ein Axialkugellager,
sowohl in radialer wie in aixaler Richtung gegen eine auf die Welle aufgekeilte
Nabe abgestützt, während die Druckplatte durch ein Axialrillenkugellager gegen den
Kolben abgestützt ist. Abgesehen von dem durch drei getrennte Lager bedingten konstruktiven
Aufwand sowie der daraus folgenden Vergrößerung der Abmessungen können sich hierbei
die über das Rillenkugellager von der Druckplatte auf den Kolben übertragenen Flatterbewegungen
voll auf die Dichtfläche auswirken, weil der Arbeitszylinder selbst radial und axial
unbeweglich gehalten ist und in keiner Weise ausweichen kann. Ähnliche Schwierigkeiten
sind auch bei einer Reibungskupplungseinheit nach der USA.-Patents.chrift 2 587
230 gegeben, bei der der Arbeitszylinder durch ein Radialrillenkugellager gegen
die Nabe gelagert ist, während der Kolben ebenfalls über ein Radialrillenkugellager
gegen eine Nabe der Druckplatte abgestützt ist. Diese Bauweise ergibt eine verhältnismäßig
große axiale Länge der ganzen Kupplungseinheit, während gleichzeitig durch die durch
die Rillenkugellager bedingte, sowohl in axialer wie in radialer Richtung ziemlich
spielfreie Verbindung der einzelnen Teile die Kolben-Zylinder-Dichtfläche erheblichen
Belastungen durch Flatterkräfte ausgesetzt ist, die von der Druckplatte über einen
großen Hebelarm eingeleitet werden können.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine hydraulisch betätigte Reibungskupplungseinheit mit im Raum drehfest
gehaltenem Arbeitszylinder zu schaffen, die sich durch kleine und geschlossene Bauweise
bei einfachem Aufbau auszeichnet und bei der schädliche Einwirkungen von Flatterbewegungen
der verschieblichen Druckplatte der Kupplung auf die Dichtflächen zwischen Kolben
und Zylinder vermieden werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die aus Kolben und Zylinder bestehende Arbeitszylindereinheit über den Kolben
mittels eines axial und radial belastbaren, im wesentlichen innerhalb der axialen
Länge des Zylinders angeordneten Wälzlagers auf einer Nabe der verschieblichen Druckplatte
gelagert ist und daß sich der Zylinder am axialen Stützlager radial frei beweglich
abstützt.
Die neue Kupplungseinheit zeichnet sich durch eine sehr kompakte Bauweise aus, die
es gestattet, mit lediglich zwei getrennten Lagern auszukommen, während sich gleichzeitig
dadurch, daß die gesamte Arbeitszylindereinheit radial beweglich ist und damit eine
Ausweichmöglichkeit hat, eine wesentliche Verminderung der durch Flatterbewegungen
bedingten Belastung der Dichtungsflächen zwischen Kolben und Arbeitszylinder ergibt.
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In einer zweckmäßigen Ausführungsform der Kupplung kann die Ausführung
derart getroffen sein, daß die Kupplungsscheiben axial verschieblich sind und zwischen
den mit dem An- bzw. Abtriebsteil verbundenen Scheiben als Rückstellfedern wirkende
sowie ein Flattern oder Taumeln des Zylinders verhütende Tellerfedern angeordnet
sind. Die sehr wirksamen Tellerfedern gewährleisten ein rasches Ausrücken und eine
geringe Leerlaufmitnahme. Auf der anderen Seite können sie einen Axialschub über
die Druckplatte, das Wälzlager und den Kolben zur Wirkung bringen und hierbei einen
an dem Arbeitszylinder angeordneten Ringflansch fest gegen das axiale Stützlager
und. dieses selbst gegen einen es abstützenden Flansch pressen. Damit sind auch
im ausgerückten Zustand die einzelnen Kupplungsteile kraftschlüssig in ihrer Lage
fixiert, so daß sie keine unerwünschten Taumel- und Flatterbewegungen ausführen
können.
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Tellerfedern in Verbindung mit verschieblichen Kupplungsscheiben sind
an sich beispielsweise aus der USA.-Patentschrift 2 441928 bekannt. Die Kupplung,
in der sie Verwendung finden, verfügt jedoch über einen grundsätzlich anderen Aufbau,
bei dem insbesondere die Aufgabe der Rückstellfedern von eigenen Schraubenfedern
übernommen wird.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung dargestellt. Es zeigt F i g. 1 eine Kupplung gemäß der Erfindung in einer
Seitenansicht, teilweise im Schnitt, F i g. 2 eine Tellerfeder der Kupplung nach
F i g. 1 in einer Draufsicht und F i g. 3 die Tellerfeder nach F i g. 2 in axialem
Schnitt.
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Bei der Beschreibung der Kupplung, wie sie in der Zeichnung dargestellt
ist, werden einzelne Teile als »Antriebs-« oder »Abtriebsteile« bezeichnet, doch
soll diese Bezeichnung keine Beschränkung der Ausführungsform darstellen. Die jeweilige
Funktion dieser Teile kann jederzeit durch eine Umkehr der Richtung der zu übertragenden
Kraft verändert werden, so daß dann z. B. der »Abtriebsteil« richtigerweise als
»Antriebsteil«, und umgekehrt, zu bezeichnen wäre.
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Der umlaufende Kupplungsteil besteht aus einer mit einem Flansch 4
versehenen Hülse 1, die auf einer Antriebswelle 2 z. B. mittels einer Paßfeder 3
befestigt ist. Der Flansch 4 ist an einem Ende der Hülse 1 angeordnet, die über
den größten Teil ihrer Länge mit einer Keilverzahnung versehen ist, deren Durchmesser
wesentlich geringer als der des Flansches 4 ist.
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Der umlaufende Kupplungsteil kann in verschiedenen Ausführungsformen
hergestellt werden. So ist es z. B. ohne weiteres möglich, den Flansch 4 direkt
auf einer Keilwelle anzuordnen und damit die Hülse 1 einzusparen.
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Auf dem mit der Keilverzahnung versehenen Teil der Hülse 1 ist eine
mit einer entsprechenden inneren Keilverzahnung versehene Keilnabe 6 axial verschieblich,
die eine in axialer Richtung wirkende Druckplatte 5 trägt. Auf der Keilnabe 6 sitzt
der Innenring 9 eines Kugellagers 8, der sich auf einer Seite gegen die Druckplatte
5 abstützt. Der äußere Lagerring 10 des Kugellagers 8 ragt in radialer Richtung
beträchtlich über den Flansch 4 hinaus, wobei sich zwischen dem Flansch 4 und dem
Kugellager 8 ein Zwischenraum befindet.
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An der Innenseite 13 des Flansches 4 liegt ein Scheibennadellager
12 an, das in einer in dem Flansch 4 ausgebildeten kreisförmigen Ausnehmung sitzt.
Das Nadellager 12 weist nur eine geringe axiale Bauhöhe auf, verfügt aber über eine
große Fläche zur Aufnahme der Druckbelastung. Damit trägt es zu einer geringen axialen
Bauhöhe der ganzen Kupplung bei. Es nimmt axial wirkende Kräfte auf und verhindert
durch seine besondere Lage Flatterbewegungen des hydraulischen Betätigungszylinders,
wie später noch dargelegt werden wird.
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Auf dem Kugellager 8 ist eine hydraulische Arbeitszylindereinheit
A feststehend angeordnet, die in radialer Richtung nur durch das Kugellager 8 gelagert
ist. Die Arbeitszylindereinheit A besteht aus einem Zylinder 15, der mit einem radial
nach innen ragenden Ringflansch 16 versehen ist, der sich in den Zwischenraum zwischen
dem Nadellager 12 und dem Kugellager 8 erstreckt. Der Ringflansch 16 liegt auf dem
Nadellager 1.2 auf, auf das er Druckkräfte übertragen kann.
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Die innengelegene Wandung der in dem Zylinder 15 ausgebildeten Zylinderkammer
18 ist in axialer Richtung wesentlich kürzer als die außengelegene Wandung. Der
Ringflansch 16 ist innerhalb der axialen Länge der außengelegenen Wandung angeordnet,
während die Nabe 6 sich in axialer Richtung unter dem überragenden Teil der außengelegenen
Wandung erstreckt; diese Merkmale tragen zu einer Verkürzung der axialen Länge der
Kupplung bei.
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über einen Flüssigkeitsanschluß 17 kann Flüssigkeit, z. B. Öl od.
dgl., der Zylinderkammer 18 zugeführt werden, in der ein Kolben 20 verschieblich
ist, der gegen die innen- bzw. außengelegene Wandung der Kammer 18 durch einen inneren
bzw. äußeren Dichtungsring 21 bzw. 22 abgedichtet ist. Der Kolben 20 sitzt direkt
auf dem äußeren Lagerring 10 des Kugellagers 8, so daß die gesamte Arbeitszylindereinheit
A in radialer Richtung nur auf dem Lager 8 gelagert ist.
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Das Kugellager 8 und das Nadellager 12 liegen, wie aus der Zeichnung
hervorgeht, im wesentlichen innerhalb der axialen Länge der Arbeitszylindereinheit
A, wobei der Kolben 20 direkt auf dem Kugellager 8 gelagert ist, das seinerseits
unmittelbar mit der Druckplatte 5 verbunden ist. Damit ist der Kolben 20 direkt
auf der Nabe 6 der Druckplatte 5 gelagert, und zwar nahe der kürzeren Wandung der
Zylinderkammer 18 und noch innerhalb der axialen Länge der längeren Kammerwandung.
Auf diese Weise wurde ein Teil der inneren Wandung des Zylinders 1.5 eingespart,
was zusammen mit der direkten Lagerung des Kolbens 20 auf der Nabe 6 der Druckplatte
5 eine weitere Verkürzung der axialen Baulänge ergibt.
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Auf dem mit einer Keilverzahnung versehenen Teil der Hülse 1 sind
eine Anzahl ebenfalls keilverzahnter Scheiben 40 unverdrehbar angeordnet, die durch
eine Stützplatte 31 in einem vorbestimmten
Raum der Kupplung gehalten
werden. Die Stützplatte 31 liegt gegen einen Sprengring 32 auf der Hülse 1 an und
wirkt somit als axiale Abstützung der Scheiben 40.
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Der Abtriebsteil der Kupplung ist in Gestalt einer ringförmigen Kappe
34 ausgebildet, die mit einer Anzahl Reibscheiben 33 ausgerüstet ist, die in längsgerichteten
Öffnungen 36 der Kappe 34 unverdrehbar eingesetzt sind und mit dieser umlaufen.
Hierbei kommt zwischen zwei benachbarte Scheiben 40 jeweils eine Reibscheibe 33
zu liegen, wie es an sich üblich ist. Mit dem Abtriebsteil 34 ist noch ein durch
Schrauben 38 befestigtes Zahnrad 37 verbunden, das aber auch ohne weiteres einstückig
mit der Kappe 34 ausgeführt werden könnte.
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Die Scheiben 40 und die Reibscheiben 33 werden durch dazwischenliegende
Federelemente jeweils auseinander, d. h. in der ausgekuppelten Stellung gehalten.
Diese Federelemente bestehen aus Tellerfedern 30 an sich herkömmlicher Bauart, von
denen hier ein besonders vorteilhafter Gebrauch gemacht wird. Die Federn 30 drücken
die Scheiben 40 auseinander, wodurch die Kupplung mit Kraft ausgerückt wird sowie
die Flüssigkeit aus der Zylinderkammer 18 entweicht. Über die Druckplatte 5 und
das Kugellager 8 drücken sie daneben den Kolben 20 in die zurückgeschobene Stellung,
so daß die Flüssigkeit aus der Zylinderkammer 18 restlos ausgestoßen wird, was eine
nahezu vollständige Beseitigung der Leerlaufmitnahme und deren Nachteile bei der
Kupplung zur Folge hat. Schließlich haben die Federn 30 bei der neuen Kupplung im
Zusammenwirken mit dem Nadellager 12 und mit Bezug auf dessen Lage noch eine dritte
wichtige Aufgabe. Sie verhindern ein Flattern in der Querrichtung der Kupplung,
wenn diese in der ausgerückten oder unwirksamen Stellung steht, wie weiter unten
noch dargelegt werden wird.
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Um die Kupplungsteile in Eingriff zu bringen und damit über die Kupplung
Kraft übertragen zu können, wird dem Zylinder 15 über den Flüssigkeitseinlaß 17
Druckflüssigkeit zugeführt, die den Kolben 20 nach rechts (F i g. 1) vorschiebt.
Die axial wirkende Kraft des Kolbens 20 wird über das Kugellager 8 und die Druckplatte
5 auf die Scheiben 40 übertragen, die zusammengepreßt und gegen die Stützplatte
31 gedrückt werden. Damit kann von der Antriebswelle 2 auf das Zahnrad 37, das dann
mit der Welle 2 umläuft, Kraft übertragen werden.
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Alle in der Kupplung arbeitenden Kräfte gleichen sich innerhalb der
Kupplung selbst aus, wobei der Axialschub des Zylinders 15 in der einen Richtung
über das Nadellager 12 von dem Flansch 4 aufgenommen wird, während den in der anderen
Richtung wirksamen Axialschub die Stützplatte 31 aufnimmt.
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Soll die Kupplung ausgerückt werden, so wird die Druckflüssigkeit
durch den Flüssigkeitseinlaß 17 abgelassen. Damit können die Tellerfedern 30 die
Scheiben 40 auseinanderdrücken und den Kolben 20 in die - zurückgeschobene Stellung
verschieben, wie oben bereits dargelegt, so daß die Kupplung sofort völlig ausgerückt
ist. Die Tellerfedern 30 verhindern auch ein Flattern oder Taumeln der einzelnen
Kupplungsteile, wenn die Kupplung ausgerückt ist, da sie den Zylinderringflansch
16 fest gegen das Nadellager 12 drücken und damit in einer festen stabilen Stellung
halten. Durch die Anordnung des Nadellagers 12 wird eine gute Stabilität des Zylinders
15 gewährleistet, wenn dieser gegen das Nadellager 12 gedrückt wird. Der Zylinder
15 hat nämlich an sich die Neigung, um den Dichtungsring 22, der dann als Lagerpunkt
für die Flatterbewegung des Zylinders wirkt, zu schwingen. Da das Nadellager 12
aber in einem beträchtlichen Abstand vom Dichtungsring 22 radial innerhalb des Zylinders
angeordnet ist, sitzt es am äußeren Ende eines langen, von dem Zylinder gebildeten
Hebelarmes und kann somit eine beachtliche Hebelkraft zur Wirkung bringen, um den
unter dem Druck der Tellerfedern 30 stehenden Zylinder in der Querrichtung zu stützen.
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Durch das beschriebene Zusammenwirken der Tellerfedern 30 und des
Nadellagers 12 wie auch durch die beschriebene Anordnung des Nadellagers 12 mit
Bezug auf den Punkt, um den der Zylinder 15 eine Schwingbewegung ausführen möchte,
wird ein besonders weiches Arbeiten der Kupplung bei robustem Aufbau erzielt.
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Die neue Kupplung ist allseitig geschlossen und weist keine nach außen
wirksamen Kräfte auf, während sie sowohl in axialer als auch in radialer Richtung
über eine geringe Baulänge verfügt.. Sie ist bei weicher Betriebsweise sehr betriebssicher
und in der Lage, für ihre jeweilige Baugröße eine maximale Leistung zu übertragen.
Die äußerst wirksamen Tellerfedern gewährleisten ein schnelles, mit Kraft erfolgendes
Ausrücken und eine geringe Leerlaufmitnahme, wie sie auch zu einem flatterfreien
Arbeiten der einzelnen Kupplungsteile beitragen. Die verhältnismäßig kleine, allseitig
geschlossene Kupplungseinheit kann leicht und schnell eingebaut werden. Die nicht
umlaufende Arbeitszylindereinheit kann mit einem einfachen Schlauchanschluß verbunden
werden, ohne daß umlaufende Flüssigkeitsdichtungen oder gar besondere Vorkehrungen
hinsichtlich der Zentrifugalkraft bei der Flüssigkeitszuführung auch bei hohen Drehzahlen
vorgesehen werden müßten.