DE2821856A1 - Sperrkupplung - Google Patents

Description

DIPL-ING. HANS W. SCHÖN1NG PATENTANWALT Hamburg ι 12. Mai 1978 Mönckebergstraße 31 (am Rathausmsrkt) Telefon (040] 33 80 85

PASSAD AUTOMATION AB Johan Skyttes Väg S-125 33 Ä Schweden Anwaltsakte: 4024

Sperrkupplung

KONTEN: DRESDNER BANK, BLZ 200 80000. KONTO-NR. 58079 55 · POSTSCHECK BLZ 200100 20 HAMBURG 198523-204

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Die Erfindung betrifft eine Klemm- oder Sperrkupplung, mit der man ein Drehmoment von einem Antriebsteil zu einem Abtriebsteil einer Maschine so übertragen kann, daß der Abtriebsteil gegenüber einem stationären Bauteil in beliebiger Richtung in eine beliebige Winkelstellung gelangt,wobei jedoch dafür gesorgt ist, daß eine von außen angreifende Kraft den Abtriebsteil nicht aus der eingestellten Winkellage herausbewegen kann. Der spezielle Aufbau einer solchen Klemm- oder Sperrkupplung ergibt sich aus dem Oberbegriff des vorstehenden Anspruches

Solche Klemm- oder Sperrkupplungen verwendet man bereits seit langer Zeit als übliche Maschinenelemente. Zahlreiche Varianten solcher Kupplungen sind bereits hergestellt worden. Bei üblichem Aufbau befindet sich innerhalb eines Jeden Rollenpaares eine Feder oder ein ähnliches Bauelement als elastischer Abstandshalter. Mit einer gewissen Vorspannung drücken die Feder die einzelnen Rollenelemente gegen eine Klemmfläche am Gehäuse und an der Nabe. Die Klemmflächen begrenzen in radialer Richtung den keilförmigen Angriff der einzelnen Rollenelemente. Dieser erwähnte Keileffekt, d.h. die Anfangsreibung an der Klemmfläche des Gehäuses aufgrund der Vorspannung, hat die Aufgabe, einen Schlupf an den Rollenelementen zu verhindern, wenn diese aufgrund eines von außen angreifenden Drehmomentes von der Nabe beaufschlagt werden, damit der

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Abtriebsteil verriegelt wird. Wenn in der Kupplung ein Drehmoment vom Antriebsteil übertragen wird, bewegen sich die Rollenelemente, die sonst eine Bewegung blockieren, aus den VerkeilungsStellungen heraus, da die in Bewegungsrichtung zeigenden Segmentseiten der Antriebsteilmitnehmer dort angreifen, so daß es dann gleichzeitig auch zu einer Zusammendrückung der Federn kommt. Die Nabe des Abtriebsteils wird aber erst anschließend bewegt, wenn es zu einer Anlage zwischen besonderen Antriebsflächen des Antriebsteilmitnehmers und der Nabe kommt.

Wenn Kupplungen nach diesem Prinzip arbeiten, ergibt sich stets ein gewisses Spiel zwischen dem Antriebsteilmitnehmer und der Nabe, d.h. es ergibt sich unvermeidbar ein Leerlauf für den Antriebsteil, wenn dieses gegenüber dem Abtriebsteil in einer neuen Richtung gedreht wird. Für viele Anwendungen, beispielsweise bei Steuersystemen, bei denen die Winkelstellung eines angetriebenen Maschinenteiles eine gesteuerte physikalische Variable wiedergibt, ist ein solches Spiel in höchstem Maße nachteilig, da es die Genauigkeit im gesteuerten System vermindert.

In bekannten Kupplungen der genannten Art ist es ferner ungünstig, daß diese eine Federanordnung enthalten, weil hierdurch der Aufbau komplizierter wird und weil die Funktion der Kupplung auch davon abhängig wird, ob die Federn

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ihre Elastizität beibehalten und nicht ermüden. Nachteilig ist ferner der von den Federn eingenommene Raum, der zwangsläufig zu einer Vergrößerung des Gehäusedurchmessers für eine vorgegebene Anzahl von Rollenelementen führt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Sperrkupplung der einleitend genannten Art, die bei der Übertragung eines Drehmomentes zum Abtriebsteil das Abtriebsteil ohne jegliches Spiel zwischen den kuppelnden Teilen genau einstellen läßt. Im übrigen bezweckt die Erfindung auch die Schaffung einer Kupplung, die einen einfacheren Aufbau hat, sich im Betrieb als robuster erweist und kleinere Abmessungen hat als die vorstehend beschriebenen Feder-Kupplungen.

Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Sperrkupplung gelöst, die so ausgebildet ist, wie es der Kennzeichnungsteil der Anprüche angibt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Kupllung beispielsweise veranschaulicht sind.

In den Zeichnungen zeigen:

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Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung gemäß der Schnittlinie I - I der Fig. 2,

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie II - II der Fig. 1,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt des Querschnittes gemäß Fig. 2 und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer abgewandelt ausgebildeten Kupplung.

Das in Fig. 1 und 2 dargestellte Kupplungsgehäuse 10 ist mit seitlich angebrachten Flanschen 12 versehen, in denen sich Bohrungen 11 oder ähnliche Anschlüsse befinden, mit denen das Gehäuse 10 drehfest mit einem festen Maschinenteil verbunden werden kann. Das Gehäuse 10 ist eine im wesentlichen zylindrische Hülse mit einer stetigen glattwandigen Bohrung 13» deren Mitte 14 die Drehachse der Kupplung ist. Da die Bohrung 13 als Klemmfläche dient und hohen örtlich angreifenden Druckkräften ausgesetzt ist, sollte die Innenwand der Hülse aus hartem, verschleißfestem Werkstoff bestehen. Beispielsweise kann in das Gehäuse 10 eine Stahllegierungsbuchse eingeschrumpft sein, so daß man das Gehäuse dann aus einem billigeren Material, beispielsweise aus Gußeisen herstellen kann.

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Der Abtriebsteil 20 der Kupplung ist im Beispiel ein Wellenende, welches in das Gehäuse 10 eingreift und dort mit einem nicht dargestellten Lager koaxial zur Klemmfläche 13 gelagert ist. Mit Hilfe eines Wellenkeils oder dergl. ist auf dem Wellenende drehfest eine der Gehäuseform angepaßte Nabe 21 befestigt, deren dem Gehäuseinneren zugewandter innerer Teil 22 im Längsschnitt gesehen eine Mantelfläche hat, die sich parallel zur Klemmfläche 13 erstreckt. Am außenliegenden Teil der Nabe 21 befindet sich eine ringsum laufende Ausnehmung 23.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen, hat die Nabe 21 in einer senkrecht zur Achse verlaufenden Ebene einen Querschnitt, den man als regelmäßiges Polygon ansprechen kann, dessen Mitte mit der Achse 14 zusammenfällt. Die Polygonseiten 24, die als nach außen gerichtete Klemmflächen wirken, können dadurch erzeugt werden, daß man parallel zur Achse Fassetten einfräst oder einschleift. Es ist aber auch möglich, diesen Flächen eine schwach konvexe Form zu geben oder auch die Ecken 25 abzurunden.

In dem im wesentlichen ringförmigen Raum zwischen der nach innen gerichteten Klemmfläche 13 des Gehäuses und den nach außen zeigenden Klemmflachen 24 der Nabe, ist ein Antriebsmitnehmer 31 eingefügt, der zum Antriebsteil 30 der Kupplung gehört. Wie Fig. 1 zeigt, kann der antreibende Mitnehmer 31 von einem Rohrabschnitt auf einer ebenen Bodenfläche

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des Antriebsteils gebildet sein. Der Außendurchmesser des Rohrabschnittes ist dem Durchmesser der Klemmfläche angepaßt. Der Innendurchmesser des Rohrabschnittes kann etwas größer sein als der Durchmesser über die Ecken 25 der Nabe gemessen. In diesem Rohrabschnitt sind beispielsweise durch Fräsen mehrere gleichförmig verteilte Schlitze eingearbeitet, wobei die Anzahl der Schlitze der Anzahl der Fassetten der Nabe 21 entspricht. Durch die Anordnung der Schlitze bildet das stehengebliebene Material fingerförmige Segmente 33, welche von gleichförmig angeordneten, sich axial erstreckenden Flächen 34 begrenzt werden. Die in Fig. 1 obenliegenden Teile der Segmente 33 gehen in einen Lagerzapfen 35 über, der am oberen Ende 15 in das Gehäuse 10 eingesetzt ist. Die Segmente 33, die etwas langer sind als der Nabenteil 22, sind mit Schrauben 36 mit einem Ring 37 verbunden, welcher mit seinem rechteckigen Querschnitt in einer entsprechend ausgebildeten rechteckigen Umfangsrinne 16 des Gehäuses ruht. Auf diese Weise ist der antreibende Mitnehmer in axialer Richtung innerhalb des Gehäuses 10 festgelegt und kann dann die Nabe 21 sowohl in axialer als auch in radialer Richtung führen.

Der Ringraum zwischen dem Gehäuse 10 und der Nabe 21 wird durch die antreibenden Mitnehmersegmente 33 in eine Mehrzahl von congruenten, äquidistanten Taschen 40 unterteilt. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 liegt jede Tasche in radialer Richtung außen vor einer Nabenecke

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/ H 2 1 β b 6

Die Taschen bestehen somit aus zwei keilförmigen Räumen 42a und 42b, die in gegensinniger Konfiguration beidseitig der Symmetriefläche 41 der Tasche 40 liegen. Jeder dieser keilförmigen Räume 42a, 42b verengt sich von der Segmentseitenfläche 34 ausgehend in Richtung auf die Symmetrieebene (s.Fig.3) In jedem dieser zwei Taschenräume befindet sich ein Rollenelement 43a, 43b. Die Rollenelemente sind vorzugsweise Zylinderrollen, deren Länge etwas geringer ist als die Länge des Nabenteiles 22. In abgewandelter Ausführungsform können die Rollenelemente auch Kugeln sein.

Wie die Fig. 4 zeigt, lassen sich die Rollenelemente auch in solcher Relativlage zwischen Nabe und antreibenden Mitnehmern so einsetzen, daß jede Nabenecke unmittelbar einem antreibenden Mitnehmersegment 38 gegenüberliegt. Die Taschenräume bei dieser abgewandelten Ausführungsform haben somit eine andere Gestalt als bei der Ausführungsform gemäß Fig.1 bis 3. Die Unterschiede liegen darin, daß die Höhenabmessung der Tasche in Art von zwei Keilen vermindert, welche bezüglich der Symmetrieebene 41 gegensinnig gerichtet sind und konisch auf die Segmentseiten 34 der Tasche hinlaufen. In jeder Tasche verlaufen die Segmentseiten parallel zueinander und haben einen Abstand voneinander, der gleich dem Doppelten des Rollendurchmessers ist.

Gemäß einem wichtigen Merkmal der Erfindung liegen die Rollenelemente 43 eines jeden Paares bewegungsmäßig festgelegt

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in ihren Taschen 40, d.h., daß jedes Rollenelement eines Paares innerhalb einer Tasche sowohl in radialer als auch in axialer Richtung an den die Tasche bildenden Flächen zur Anlage kommt. Ein Rollenelement 43a hat daher einen Linienkontakt mit den beiden Klemmflächen 13 und 24 an den in Fig.3 eingezeichneten Schnittpunkten 44 und 45.Die Rollenelemente liegen aber auch am Schnittpunkt 46 jeweils an einer benachbarten Segmentseite 34 an (s.Fig.3). Jedes Rollenelement eines Paares hat aber auch gleichzeitig einen Linienkontakt mit dem anderen Rollenelement 43b des gleichen Paares in der Symmetrieebene. Beide Rollenelemente 43a und 43b liegen daher in analoger Weise in ihren Taschenräumen 42a und 42b ohne jedes Spiel. Es sei hier noch erwähnt, daß bei der erfindungsgemäßen Kupplungsausbildung weder an dem antreibenden Mitnehmer 31 noch am Antriebsteil 30 irgendwelche Anschlagflächen vorgesehen sind, die unmittelbar die Nabe 21 beaufschlagen können, wenn diese zu verstellen ist. Für die Drehmomentenübertragung zur Nabe sorgen allein die Rollenelemente. Im übrigen werden auch keinerlei Federn oder sonstige elastische Bauelemente behnötigt, um die Rollenelemente gegen ihre Klemmflächen in die Sperrstellung zu bringen. Alle zusammenwirkenden Bauelemente der Kupplung für die Verstellung des Abtriebsteils behalten fortgesetzt ihre gegenseitig nicht verdrehbare Bezieh-ung wegen der Geometrie der zusammenwirkenden Oberflächen.

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Wenn gemäß Fig.3 in Richtung des Pfeiles A ein Drehmoment vom Antriebsteil 30, der mit einem Hebel 39 oder einem sonstigen Betätigungsglied versehen sein kann, zu übertragen ist, entsteht im Punkt 45 am Rollenelement 43a eine Kraft F, mit der das Rollenelement gegen die zwei Klemmflächen 13 und 24 gedruckt wird, wo dann zwei Normalkräfte N^ und Np an den Berührungspunkten 44 und 45 zum Angriff kommen. Entgegen der Normalkraft Np wirkt eine gleichgroße entgegengesetzte Kraft an der Nabe 21 im Abstand des Radiusvektors R. Das übertragene Drehmoment hängt somit zum Teil von der Länge von R, d.h. von der Seitenzahl und der Größe des Polygons und zum Teil von der Größe von Np ab. Die Normalkraft Np ist die zu erhaltende Nutzkraft unter Berücksichtigung der Reibungskoeffizienten /U.F, /U<.. N^ und /Up. Np an den drei Kontaktpunkten. Der geometrische Zusammenhang ergibt sich aus dem Kräftediagramm für den Bewegungszustand im linken Bereich der Fig.3.

Aus Vorstehendem ist zu ersehen, daß die Reibungskomponente /U.IL· an der Geäusewand den größten Einfluß bezüglich einer Verkleinerung von Np hat. Wenn Jedoch die Segmentseiten nach innen in Richtung auf die Ecken 25 im Taschenbereich geneigt verlaufen, wie es die Fig.3 zeigt, wird F größer, und es verbessert sich die Relation zwischen den Normalkräften N₁ und N₂, so daß sich das übertragene Drehmoment N₂R in entsprechendem Maße vergrößert.

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- t2 -

λο I- B ^' 1 ο 5 b

Wenn von dem antreibenden Mitnehmer ein Drehmoment zugeführt wird, ergibt sich eine gewisse elastische Verformung der kuppelnden Teile wegen der Keilwirkung der Rollenelemente 43a an den Klemmflächen der Taschenräume 42a. Hieraus resultiert dann, daß die Radialabmessung in den Taschenräumen 42a und 42b etwas größer wird. Die inaktiven Rollenelemente 43b werden durch die antreibenden Rollenelemente in Uhrzeigerrichtung etwas verdrängt, so daß eine etwaige vorher bestandene Klemmwirkung beseitigt wird. Zur gleichen Zeit, zu der die Kontaktkräft N>. und Np von den antreibenden Rollenelementen größer werden und dann das resultierende Drehmoment NpR groß genug wird, um die am Antriebsteil 30 einwirkenden äußeren Kräfte zu übersteigen, werden die Nabe 21 und auch alle Rollenelemente entlang der Klemmfläche des Gehäuses in Bewegung gesetzt.

Wenn nach dem Einstellen einer willkürlich gewählten winkelmäßigen Einstellung der Kupplung auf den Abtriebsteil eine äußere Kraft einwirkt, die bestrebt ist, die Kupplung aus dieser eingestellten Lage herauszubewegen, beispielsweise, wenn eine äußere Kraft in Richtung des Pfeiles B der Fig.3 angreift, entstehen an den Punkten 44 und 45 Normalkräfte N,, und N₂ aufgrund des Keileffektes zwischen den Rollenelementen 43a und den Keilflächen in dem Taschenrum 42a und wegen der Lagerreibung am Antriebsteil 30. Die erwähnten Normalkräfte N^ und Np und die zuvor in entgegengesetzter Richtung

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wirkenden Reibungskräfte /U^.N^ und /Up.Np kommen dann zum Ausgleich, wie es in dem Kräftediagramm im rechten Teil der Fig.3 dargestellt ist. Da der Winkel zwischen den Normalkräften,d.h. der Keilwinkel in den Räumen 42, geringer ist als der Reibungswinkel des verwendeten Materials, ergibt sich kein Schlupf und es werden die Normalkräfte unmittelbar proportional dem von der Nabe zugeführten Drehmoment. Wenn das Drehmoment reversiert wird, um entgegen der Richtung des Pfeiles B zu wirken, kommen jetzt die Rollenelemente 43b zur keilenden Einwirkung. Es entsteht dabei keine meßbare Drehung der Nabe wegen der elastischen Verformung der Kupplungsteile. Diese erwähnte Verformung, die auch bei der winkelmäßigen Verstellung der Kupplung auftritt, übernimmt jetzt die Funktion, die bei vorbekannten Sperrkupplungen von den Federn übernommen wurde.

Die Funktion der abgewandelten Ausführungsform gem.Fig.4 ist der zuvor beschriebenen Funktion analog, mit dem Unterschied, daß bei einer Verstellung der Winkellage innerhalb der Kupplung die Kraft von den treibenden Mitnehmersegmenten zu jedem der antreibenden Rollenelemente 43a nun über das zwischenliegende Rollenelement 43b des gleichen Rollenelementenpaares übertragen wird.

Eine erfindungsgemäße Kupplung ist somit in der Lage, jede gewünschte Drehbewegung exakt und ohne Spiel zwischen

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Antriebsteil und Abtriebsteil zu übertragen, wobei auch sichergestellt wird, daß anschließend der Abtriebsteil schlupflos verkeilt und ohne Spiel in der eingestellten Lage blockiert wird.

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Claims (2)

1. - X - Patentansprüche 9871856

   M.; Sperrkupplung zum Übertragen eines Drehmomentes von einem Antriebsteil zu einem sich in der eingestellten Lage arretierenden Abtriebsteil, bestehend aus einem stationären Gehäuse, dessen zylindrische Bohrung eine nach innen gerichtete Klemmflache bildet, einer mit dem Abtriebsteil verbundenen, koaxial innerhalb der zylindrischen Gehäusebohrung gelagerten Nabe, deren der Gehäuseklemmfläche zugewandte Mantelfläche in Art eines regelmäßigen Polygons'aneinanderstoßende Klemmflächen aufweist, einem mit dem Antriebsteil verbundenen und koaxial zu Nabe und Gehäusebohrung ausgerichteten Mitnehmer, welcher in axialer Richtung zwischen Gehäusebohrung und Nabe mit fingerartigen Segmenten so eingreift, daß zwischen den letzteren neben den einzelnen Naber ecken untereinander gleiche Taschen entstehen, die in Umfanf richtung von zwei gegenüberliegenden Segmentflächen begrenzt werden und aus zwei gegensinnig ausgerichteten keilförmigen Räumen bestehen, die symmetrisch zur Taschen-Symmetrieebene liegen, paarweise in den Taschenräumen angeordneten Rollenelementen, welche bei beliebiger Drehung des Antriebsteils über die Klemmfläche der Gehäusebohrung laufen, aber bei versuchter Drehung des Abtriebsteils die Klemmflächen von Gehäusebohrung und Nabe mit jeweils einem Rollenelement keilend beaufschlagen, um den Abtriebsteil zu arretieren, während das zweite Rollenelement des gleichen Paares inakti"\ bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativlage der Rollenelemente (43) in den Taschen (40) dadurch fixiert ist. daß jedes Rollenelement (43) eines Paares an beiden Klemm-

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   flächen (13, 24), an der den keilförmigen Raum (42) des Rollenelementes (43) begrenzenden Segmentfläche (34) und am zweiten Rollenelement (43) des gleichen Paares zur Anlage kommt, wodurch eine Drehung der Nabe (21) durch eines der Rollenelemente (43) von einem Drehmoment am Antriebsteil (30) über eine in Drehrichtung zeigende Segmentfläche (34) des Mitnehmers (33) gegen beide Keilflächen (13, 24) gedrückt wird.
2. 2. Sperrkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken (25) der Nabe (22) in der Taschen-Symmetrie ebene (41) angeordnet sind, daß beide Segmentflächen (34) des Mitnehmers (33) in jeder Tasche (40) nach innen in Richtung auf die Ecken (25) divergieren, um die Reibung zwischen der Klemmfläche (13) der Gehäusezylinderbohrung und dem Rollenelement (43) zu vermindern, welches bei einer Kupplungsverstellung in drehmomentenübertragendem Eingriff mit diesem Rollenelement (43) steht.

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