DE2821856C3 - Sperrkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Klemm- oder Spcrrkupplung, mit der man ein Drehmoment von einem Antriebsteil zu einem Abtriebsteil einer Maschine so übertragen kann, daß der Abtriebsteil gegenüber einem stalionären 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 Anspruchs 1.

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 erastischer 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 auf Grund der Vorspannung, hat die Aufgabe, einen Schlupf an den Rollenelementen zu verhindern, wenn diese auf Grund eines von außen angreifenden Drehmoments von der Nabe beaufschlagt werden, damit der Abtriebsteil verriegelt wird. Wenn in dsr 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 angetrieben*:.'! Maschinenteils 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 ihre Elastizität beibehalten und nicht ermüden. Nachteilig ist ferner der von den Federn eingenommene Raum, der zwangläufig 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 Drehmoments 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 Ansprüche angibt.

Die nachfolgend ausführliche Beschreibung nimmt Bezug auf die Zeichnungen, in denen zwei Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Kupplung beispiels-

weise veranschaulicht sind. In den Zeichnungen zeigt

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

Fig.2 einen Querschnitt gemäß der Schnittlinie !1-Il der Fig. 1,

Fig.3 einen vergrößerten Ausschnitt des Querschnittes gemäß F i g. 2 und

F i g. 4 eine schematischa 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.

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 od. dgl. 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 Polygonsuten 24, die als nach außen gerichtete Klemmflächen wirken, könr.en 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 lußen zeigenden Klemnfläclien 24 der Nabe, ist ein Antriebsmitnehmer 31 eingefügt, der zum Antriebsteil 30 ritr Kupplung gehört. Wie Fig. I zeigt, kann der antreibende Mitnehmer 31 von einem Rohrabschnitt auf einer ebenen Bodenfläche 32 des Antriebsteils gebildet sein. Der Außendurchmesser des Rohrabschnittes ist dem Durchmesser der Klemmfläche 13 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 F i g. I cbenliegenden Teile der Segmente 33 gehen in einen Lagerzapfen 35 über, der am obere,! Ende 15 in das Gehäua-; 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

ϊ 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

lu Nabe 21 wird durch die antreibenden Mitnehmersegmente 33 in eine Mehrzahl von congruenten, äquidistanten Taschen 40 unterteilt. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. I bis 3 liegt jede Tasche in radialer Richtung außen vor einer

i> Nabenecke 25.

Die Taschen bestehen somit aus zwei keilförmigen Räumen 42a und 426, die in gegensinniger Konfiguration beidseitig der Symmetriefläc'je 41 der Tasche 40 liegen. Jeder dieser keilförmigen Räume 42a, 42Zj

-¹H verengt sich von der Segmentseilenfläche 34 ausgehend in Richtung auf die Symmetrieeh-cie (siehe F i g. 3). In jedem dieser zwei Taschenräurns befindet sich ein Rolleneleinent 43a, 436. Die Rollenelemente sind üblicherweise Zylinderrollen, deren Länge etwas gerin-

-'"> ger ist als die Länge des Nabenteils 22. In abgewandelter Ausf'ihrungsform können die Rolleneleinente auch Kugeln sein.

Wie die Fig.4 zeigt, lassen sich die Rolienelemente auch in solcher Relativlage zwischen Nabe und

ι» antreibenden Mitnehmern so einsetzen, daß jede Nabenecke unmittelbar einem antreibenden Mitnehmersegment 38 gegenüber liegt. Die Taschenräume bei dieser abgewandelten Ausführungsform haben somit eine andere Gestalt als bei der Ausführungsform

i"> gemäß Fig. 1 bis 3. Die Unterschiede liegen darin, daß sich 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, !n jedsr Tasche

w 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 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 RoHenelement 43a hat daher einen Linienkontakt

v> mit den beiden Klemmflächen 13 und 24 an den in F i g. 3 eingezeichneten Schnittpunkten 44 und 45. Die Rollenelemente liegen aber auch am Schnittpunkt 46 jeweils an einer benachbarten Segmentseite 34 an (siehe F i g. 3). Jedes Rollenelement eines Paares hat aber auch

■">■' gleichzeitig einen Linienkontakt mit dem anderen Rollenelement 436 des gleichen Paares in der Symmetrieebene. Beide Rollenelemente 43a und 436 liegen daher in analoger Weise in ihren Taschenräumen 42a und 426 ohne jedes Spiel. Es sei hier noch erwähnt,

"Ii daß bei der ei !"mdungsgemäßen Kupplungsausbildung weder zn 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

<·■'< Drehmomentenubertragung zur Nabe sorgen allein die Rollenelemente, im übrigen werden auch keinerlei Federn oder sonstige elastische Bauelemente benötigt, um die Rollenelemente gegen ihre Klemmflächen in die

Sperrstellung /u bringen. Alle zusammenwirkenden Bauelemente der Kupplung für die Verstellung des Abtriebsteils behalten fortgeset/.l ihre gegenseitig nicht verdrehbare Beziehung wegen der Geometrie der zusammenwirkenden Oberflächen.

Wenn gemäß Fig. 3 in Richtung des Pfeiles A ein Drehmoment vom Antriebsteil 30, der mit einem Hebel 39 oder einem sonstigen Betätigungsglied verschen sein kann, zu übertragen ist. entsteht im Punkt 45 am R.ollenelement 43a eine Kraft F, mit der das Rollenelement gegen die zwei Klemmflächen 13 und 24 gedrückt wird, wo dann zwei Normalkräfte N\ und Ni an den Berührungspunkten 44 und 45 zum Angriff kommen. Entgegen der Normalkraft Ni 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 Ni ab. Die Normalkraft Ni ist die zu erhaltende Nutzkraft unter Berücksichtigung der Reibungskoeffizienten μ · /■". μι · /V, und μι ■ N₂ an den drei Kontaktpunkten. Der geometrische Zusammenhang ergibt sich aus dem Kräftediagramm für den Bewegungszustand im linken Bereich der F-" i g. 3.

Aus Vorstehendem ist zu ersehen, daß die Reibungskomponente μι ■ /Vi an der Gehäusewand den größten Einfluß bezüglich einer Verkleinerung von Ni hat. Wenn jedoch die Segmentseiten 34 nach innen in Richtung auf die Ecken 25 im Taschenbereich geneigt verlaufen, wie es die F i g. 3 zeigt, wird Fgrößer, und es verbessert sich die Relation zwischen den Normalkräften N\ und Ni, so daß sich das übertragene Drehmoment N₂R in entsprechendem Maße vergrößert.

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 426 etwas größer wird. Die inaktiven Rollenelemente 436 werden durch die antreibenden Rollenelemente in Uhrzeigerrichtung etwas verdrängt, so daß den äußeren Kräfte zu übersteigen, werden die Nabe 2 und auch alle Rollcnclcmente entlang der Klemmflüchi des Gehäuses in Bewegung gesetzt.

Wenn nach dem Einstellen einer willkürlich gewähl lcn winkelmäßigen Einstellung der Kupplung auf der Abtriebsteil eine äußere Kraft einwirkt, die bestrebt ist die Kupplung aus dieser eingestellten Lage herauszurn wegen, beispielsweise, wenn eine äußere Kraft ir Richtung des Pfeils öder F'ig. 3 angreift, entstehen ai den Punkten 44 und 45 Normalkräfte Ni und Ni au Grund des Keileffektes zwischen den Rollenelemenier 43,7 und den Ke'lflächen in dem Taschenraum 42;f unt wegen der l.agcrrcibung am Antriebsteil 30. Dk erwähnten Normalkräfte /Vi und Ni und die zuvor ir entgegengesetzter Richtung wirkenden Reibungskräfte μι · /Vi und μι ■ N₂ kommen dann zum Ausgleich, wie c in dem Kräftediagramm im rechten Teil der Fig. dargestellt ist. Da der Winkel zwischen den Normal kräften, d. h. der Keilwinkel in den Räumen 42. geringe ist als der Reibungswinkel des verwendeten Materials ergibt sich kein Schlupf und es werden die Normalkräfti unmittelbar proportional dem von der Nabe 2 zugeführten Drehmoment. Wenn das Drehmomcn reversiert wird, um entgegen der Richtung des Pfeiles / zu wirken, kommen jetzt die Rollenelemente 436 zu keilenden Einwirkung. Es entsteht dabei keine meßbar« Drehung der Nabe wegen der elastischen Verformunj der Kupolungsteile. Diese erwähnte Verformung. di< auch bei der winkelmäßigen Verstellung der Kupplun; auftritt, übernimmt jetzt die Funktion, die bei vorbe kannten Sperrkupplungen von den Federn übernom men wurde.

Die Funktion der abgewandelten Ausführungsforn gemäß F i g. 4 ist der zuvor beschriebenen Funktioi analog, mit dem Unterschied, daß bei einer Verstellunj der Winkellage innerhalb der Kupplung die Kraft voi den treibenden Mitnehmersegmenten zu jedem de antreibenden Rollenelemente 43a nun über da zwischenliegende Rollenelement 43/¹ des gleichei Rollenelementenpaares übertragen wird.

Eine erfindungsgemäße Kupplung ist somit in de Lage, jede gewünschte Drehbewegung exakt und ohni

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tigt wird. Zur gleichen Zeit, zu der die Kontaktkräfte N-, und /V₂ von den antreibenden Rollenelemente größer werden und dann das resultierende Drehmoment N₂R groß genug wird, um die am Antriebsteil 30 einwirkentragen, wobei auch sichergestellt wird, daß anschließen« der Abtriebsteil schlupflos verkeilt und ohne Spiel in de eingestellten Lage blockiert wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Sperrkupplung zum Übertragen eines Drehmoments von einem Antriebsteil zu einem sich in der ί eingestellten Lage arretierenden Abtriebsteil, bestehend aus einem stationären Gehäuse, dessen zylindrische Bohrung eine nach innen gerichtete Klemmfläche bildet, einer mit dem Abtriebsteil verbundenen, koaxial innerhalb der zylindrischen to 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 is Gehäusebohrung ausgerichteten Mitnehmer, welcher in axialer Richtung zwischen Gehäusebohrung und Nabe mit fingerartigen Segmenten so eingreift, daß zwischen den letzteren neben den einzelnen Nabenecken untereinander gleiche Taschen entste- 2» hen, die in Umfangrichtung von zwei gegenüberliegenden Scgrncntflächen begrenzt werden und aus zwei gegensinnig ausgerichteten keilförmigen Räumen bestehen, die symmetrisch zur Taschen-Symmetrieebene liegen, paarweise in den ^i 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 w jeweils einem Rollenelement keilend beaufschlagen, um den Ahtriebsteil zu arretieren, während das zweite Rollenelement des gleichen Paares inaktiv bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß die Relativlage der Rollenelemente (43) in den Taschen J"> (40) dadurch fixiert ist, daß jeo^s Rollenelement (43) eines Paares an beiden Klemmflächen(13,24),ander den keilförmigen Raum (42) des Rollenelements (43) begrenzenden Segmentfläche (34) und am zweiten Rollenelement (43) des gleichen Paares zur Anlage -to kommt, so daß die Nabe (21) durch ein Drehmoment am Antriebsteil (30) mittels eines der Rollenelemente (43) gedreht wird, welches über eine in Drehrichtung zeigende Segmentfläche (34) des Mitnehmers (33) gegen beide Keilflächen (13, 24) ■»·'> gedrückt wird.

2. Sperrkupplung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Ecken (25) der Nabe (22) in der Taschen-Symmetrieebene (41) angeordnet sind, daß beide Segmentflächen (34) des Mitnehmers (33) w in jeder Tasche (40) nach innen in Richtung auf die Ecken (23) divergieren, um die Reibung zwischen der Klemmfläche (13) der Gehäusezylinderbohrung und dem Rollenelement (43) zu vermindern, welches bei einer Kupplungsverstellung in drehmomentenüber- y> tragendem Eingriff mit diesem Rollenelement (43) steht.