DE2741652A1 - Hochbelastbare drehsteif-beugeelastische membrankupplung - Google Patents

Description

• Hochbelastbare, drehsteif-beugeelastische Membrankupplung
• Erfindungsbeschreibung: In allen Fällen, in welchen im Prinzip koaxial umlaufende Wellen zur Übertragung von Drehmomenten miteinander gekuppelt werden müssen, müssen beugefähige, als Gelenk wirkende Kupplungen eingesetzt werden, sobald die Wellen nicht mit höchster Genauigkeit bei der Montage ausgerichtet werden können oder sich während des Betriebes durch unterschiedliche Temperatureinflüsse oder dergleichen aus der exakt fluchtenden Lage heraus verändem. Verlaufen die Wellen mit einem nicht durch Ausrichten dauernd behebbaren Abstand, dann sind zum Ausgleich eines solchen, im Raum feststehenden aber zeitlich in seiner Größe möglicherweise veränderlichen Fluchtungsfehiers zwei als Gelenk wirkende beugefähige Kupplungen notwendig, die nach Art einer Gelenkwelle durch eine mitumlaufende Hohlwelle oder Hülse zu verbinden sind.
• Die Erfindung betrifft solche beugefähigen Kupplungen als Einzelyelenkeoder Gelenke einer Gelenkwelle für hohe Drehzahlen und hohe bauvolumenbezogene Leistungen, soweit sie im elastischen Bereich beansprucht werden, soweit die die elastische Beugung im Gelenk zwischen den beiden Kupplungshälften ermöglichenden Elemente metallische Federelemente oder ihnen gleichwertige Federelemente, wie z. B. Federelemcnte aus glasfaserverstärkten Kunststoffen, sind und soweit die beugeelastischen Membrankupplungen als praktisch drehstarr gelten dürfen.
• Solche Kupplungen werden im allgemeinen Maschinenbau und im Elektromaschinenbau, aber insbesondere im Turbomaschinenbau, beispielsweise zwischen Turbine (als Kraftmaschine) und Kompressor (als Arbeitsmaschine) zur Wellenverbindung eingesetzt, insbesondere in der Form von von Gelenkwellen mit zwei solchen Kupplungen. ) Gegenüber den hierfür bei geringeren Anforderungen auch eingesetzten (bekannten) Bogenzahnkupplungen haben sie den Vorteil der Verschleißfreiheit und Wartungsfreiheit und gegenüber den (bekannten) starren Kupplungen, wie sie der Grnßturbinenbau heute vielfach benötigt, den Vorteil, daß sie den Ausgleich von Fluchtungsfehlern ohne großen Zwang ermöglichen.
• Es sind Membrankupplungen bekannt, bei denen eine am Außenrand und am konzentrischen Innenrand eingespannte kreisrunde Membran zur drehsteifen und beuge-elastischen Übertragung von Drehmomenten in einem Gelenk benutzt wird. Da am Innenrand der Umfang geringer ist, 1) DIN 740, Ausgabe März 1975 als am Außenrand und da auch der wirksame Hebel arm innen geringer ist als außen, sind die Beanspruchungen bei der Drehmomentübertragung innen größer als außen. Zum Ausgleich wurden Membranen mit ebener Mittelebene aus dem Vollen heraus derart auf einer Drehmaschine gefertigt, daß die Wandstärke im freien Teil von außen nach innen quadratisch mit dem Kehrwert des Radius zunimmt. Auch wurde der Innenrand der Membranen derart verstärkt, daß eine der bekannten Hirth-Verzahnung ähnliche Verzahnung mit radialen Zähnen zur formschlüssigen Drehmomentübertragung entweder unmittelbar am Membranmaterial innen angebracht werden kann oder an einem angeschweißten Verstärkungsring. Diese Ausführung ist fertigungsaufwendig und daher teuer. Es wird deshalb vorgeschlagen, vorzugsweise parallelflächige ebene Membranen mit konzentrischem Innenrand und Außenrand als drehsteif-beugeelastische Übertragungsglieder in der Membrankupplung zu verwenden und diese mit Ausschnitten, vorzugsweise nahe am Außenrand zu versehen und durch die Ausschnitte das an der Einspannung am Innenrand zu übertragende Drehmoment ganz oder teilweise zuzuleiten oder abzuleiten. Dies ermöglicht in fertigungstechnisch relativ einfacher Weise, das Drehmoment am Innenrand bei einer Membran zweischnittig und bei mehreren benachbarten, parallel wirkenden Membranen auch mehrschnittig zu übertragen. Im Begriff mehrschnittig soll dubei nicht nur ausgedrückt sein, daß formschlüssige Spannelemente wie Nieten oder Schraubenbolzen am inneren Einspannrand der Membran nicht nur in mehr als einer Scherfläche auf Schub beansprucht werden, sondern daß unter dem Einfluß des von den Nieten oder Bolzen durch ihre Längszugkraft bewirkten Reibungsschlusses, Reibflächen zu beiden Seiten einer Membran oder einer Gruppe paralleler Membranen zur Drehmomentübertragung ausgenutzt werden können.
• Bild 1 a) und b) soll die erfindungsgemäße Ausbildung und Einspannung am Innenrand demonstrieren: Auf ein Wellenende (1) sei eine Kupplungsnabe (2) mit einem umlaufenden Kupplungsflansch in bekannter Weise aufgeschrumpft. Am Kupplungsflansch seien am Umfang vorzugsweise gleichmäßig verteilte Schraubenbolzen (3) angeordnet, die, durch Ausschnitte in den Membranen (41) und (42) hindurchgesteckt, das Drehmoment auf Hilfsscheiben (51), (52) und (53) zu beiden Seiten der beugefähigen Membranen und möglicherweise auch zwischen den Membranen (41) und (42) übertragen.
• Von den Hilfsmembranen wird das Drehmoment zum inneren Einspannrand der Membranen (41) und (42) von mindestens zwei Seiten aus weitergeleitet und dort mittels Paßschrauben (6) oder Nieten übertragen. Zur gleichmäßigeren Verteilung der Flächenpressung im Wirkraum der Einspannung am Membraninnenrand sind unter Kopf und Mutter der Schrauben (6) umlaufende Ringe (71) und p2) angeordnet. Die Muttern können am gesamten Umfang innen zu einem Ring (73) mit Gewindebohrungen zusammengefaßt sein. Zwischen den Membranen und den Hilfsscheiben sind Abstandsringe (74) erforderlich, damit die Membranen und die Hilfsscheiben sich nicht außerhalb der Einspannung berühren, sobald bei der Beugung eines Gelenkes sich die Membranflächen zwischen den Einspannungen biegen.
• Im Bereich der Bolzen (3) sind zwischen Flansch (2) und Hilfsscheibe (51) bzw. zwischen Gewinderingscheibe (8) und Hilfsscheibe (52) vorzugsweise umlaufende Zwischenringe (91) und (92) angeordnet, während zwischen den Hilfsscheiben einzelne Unterlegscheiben (31) und (32) angeordnet sind, die mit einem Spiel in die Ausschnitte in den Membranen (41) und (42) passen. Die Membranen (41) und (42) sind am Außenrand durch einen umlaufenden Zwischenring (10) auf Abstand gehalten. Paßbolzen (11) verbinden sie mit der Hülse (12). Unter den Muttern, die zu einem umlaufenden Ring (13) mit Gewindebohrungen zusammengefaßt sein können, ist ein druckverteilender umlaufender Ring (14) angeordnet. Bild 1 b) gibt den in Bild 1 a) gelegten Schnitt A - B wieder.
• Neben der in Bild 1 a) und Bild 1 b) gezeigten Ausführung ist auch eine Ausführung denkbar und herstellbar, bei der der Außenrand der biegefähigen Membranen (41) und (42) mit der Kupplungshälfte (2) verbunden ist und dafür die Hilfsscheiben wie z.B. (51), (52) und (53) über Elemente, die die Ausschnitte in den Membranen durchdringen, mit Flansch und Hülse (12) verbunden werden.
• Neben der in Bild 1 a) und Bild 1 b) gezeigten Ausführung ist weiterhin auch eine Ausführung denkbar und herstellbar, bei der zwischen zwei Hilfsscheiben (51) und (52) nur eine Membran (41) angeordnet ist, oder auch zwei Membranen (41) und (42) mit einem wesentlich kleinerem Abstand, wie ihn das Weglassen der Hilfsscheibe (52) und ein oder zwei Zwischenringe aus der Gruppe (74) ermöglicht. Hiervon abgesehen sollen sich alle bisherigen Beschreibungen auch auf Ausführungsformen beziehen, bei denen von vornherein Einzelmembranen wie die Membranen (41) und (42) zur Erhöhung der Biegenachgiebigkeitdurch Gruppen von direkt oder in geringem Abstand nebeneinander angeordneten dünneren Membranen ersetzt sind.
• In Bild 2 ist eine Ausführung dargestellt, bei der die Hilfsscheibe (51), der Gewindering (73), der linke der Zwischenringe p4) und der Zwischenring (91) des Bildes 1 a) mit dem Flansch (2) vereinigt sind, so daß sie als besonderes Teil entfallen. Die Welle (1) ragt über das rechte Ende des Flansches (2) hinaus und dient als Zentrierung für die Membranen (41) und (42) und den Zwischenring (70) des Bildes 2. Die Schrauben (60) können Paßschrauben sein aber auch als Normalschrauben mit Spiel zwischen Bohrung und Schraubenbolzen ausgeführt sein. Auch der umlaufende Zwischenring (92) des Bildes 1 a) ist mit der benachborten Gewinderingscheibe (8) des Bildes 1 a) zur Scheibe (80) des Bildes 2 vereinigt, wobei auch die Scheibe (80) auf der verlängerten Welle 1 zentriert ist.
• Da die Schraubenverbindungen mit den Schrauben (60) das Drehmoment an der inneren Einspannung nach Bild 2 nur zweischnittig übertragen, ist zur Erzielung eines Reibungsschlusses, der größer ist als ihn die Schrauben (60) erzielen lassen, die Scheibe (80) derart ausgebildet, daß sie beim Anziehen der Schraubenbolzen (30) durch einen Tellerfedereffekt eine axiale Vorspannkraft auf die Einspannung am inneren Rand ausübt. (Vor dem Anziehen der Schrauben (30) ist also ein Spalt zwischen den die Membranenausschnitte durchdringenden und möglicherweise (wie dargestellt) in den Flanschen zentrierten Unterlegscheiben (33) und der Scheibe (80) vorhanden.) Die als Hülse ausgebildete rechte Kupplungshälfte (12) des Bildes 1 a) (die das Drehmoment zur linken Kupplungshälfte einer 2. Kupplung überleiten kann), ist in diesem Ausführungsbeispiel nach Bild 2 durch die Kupplungshälfte (15) und die Hülse (16) ersetzt, die durch am Umfang angeordnete Schraubenverbindungen (17) verbunden sind, aber auch für Montagezwecke getrennt werden können. Schnitt A - B in Bild 2 sieht aus wie der in Bild 1 b) dargestellte Schnitt in Bild 1 a).
• In dem in Bild 1 a) und Bild 1 b) gezeigten Ausführungsbeispiel sind nur Einzelbolzen (3) gezeichnet, die jeweils Ausschnitte in den biegefähigen Membranen durchdringen; es ist auch eine Ausführung denkbar und herstellbar, bei denen Gruppen von parallel wirkenden Schrcuben anstelle der Schrauben (3) in einem Ausschnitt durchdringend angeordnet werden, Bild 3.
• In Bild 3 weist die Membrane (20) größere Ausschnitte auf, die jeweils von einer Mehr-Schrauben-Verbindung mit Schraubenbolzen (35) durchdrungen werden. Hiervon abgesehen, könnte Bild 2 auch einen Längsschnitt durch diese Ausführungsform darstellen; lediglich die runden Unterlegscheiben mit zentrischem Ansatz (33) sind durch passende Segmente von Kreisringen (36) zu ersetzen, wie sie in Bild 3 dargestellt sind. Auch müßten die Schrauben (30) im Durchmesser angepaßt werden.

Claims (5)

1. Patentansprüche: 6> 1. Drehsteife, elastisch beugefähige Membrankupplung zur gelenkartigen Verbindung von Wellen (auch Hohlwellen u.dergl.), bestehend aus zwei auf Wellen, Hohlwellen oder Hülsen aufsetzbaren oder mit diesen stoffschlüssig, formschlüssig oder kraftschlüssig verbundenen Kupplungehölften (2) und (12) mit dazwischen angeordneten ein, zwei oder mehr Membranen zur drehsteifen beugefähigen Momentübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß die im nicht-gebeugten Zustand vorzugsweise ebenen Membranen die Beugefähigkeit unterstützende Ausschnitte aufweisen, und daß durch diese Ausschnitte das am inneren Einspannrand der Membranen durch Kraft- und/oder Formschluß zu- oder abzuleitende Drehmoment teilweise oder ganz mittels geeigneter, die Ausschnitte nicht berührend durchdringender, Elemente übertragen wird.
2. 2. Drehsteife, elastisch beugefähige Membrankupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein, zwei oder mehrere Hilfsscheiben oder dergl. zur Drehmomentübertragung zwischen dem inneren Einspannbereich der biegefähigen Membranen und den die Ausschnitte durchdringenden Elementen derart angeordnet werden, daß sie den Reibungsschluß am Innenrand durch Erhöhung der Zahl der übertragenden Reibflächen verbessern.
3. 3. Drehsteife, elastisch beugefähige Membrankupplung nach Anspruch 1und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Muttern von Schrauben verbindungen am inneren und/oder äußeren Umfang oder von Schraubenbolzen in den Ausschnitten zu fliehkraftaufnehmenden Ringen (13) und p3) bzw. (8) zusammengefaßt werden.
4. 4. Drehsteife, elastisch beugefähige Membrankupplung nach Anspruch 1, 2 und möglicherweise auch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ebene Einzelmembranen durch Gruppen von zwei oder mehr parailelen Membranen ersetzt werden.
5. 5. Drehsteife, elastisch beugefähige Membrankupplung nach Anspruch 1 und möglicherweise 2, 3 und/oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach Lösen und Entfernen von wenigen Teilen, wie z.B. der Schraubenbolzen (3), die beiden Kupplungshälften mit ihren jeweils verbundenen Wellen, Hohlwellen oder Hülsen, in Querrichtung gegeneinander bewegt werden können ohne daß hierfür zusätzliche Trennstellen angeordnet werden müssen.