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Sicherheitskupplung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitskupplung nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches.
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Es sind bereits viele Sicherheitskupplungen bekannt geworden, die
bei Überschreiten eines bestimmten Drehmomentes die Antriebsverbindung unterbrechen
und dabei gegebenenfalls einen elektrischen Kontakt auslösen. Eine derartige Sicherheitskupplung
ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift 25 44 919 bekannt geworden, doch
weist diese den grundsätzlichen Nachteil auf, daß sie nach 360° Drehung der Antriebswelle
wieder einzurasten bestrebt ist, auch wenn die Überlast noch andauert.
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Es gibt auch schon verschiedene Sicherheitskupplungen, die nach einer
Überlast im wesentlichen frei auslaufen, jedoch beinhalten die verschiedenen Funktionsprinzipien
der Kupplungen einen oder mehrere der nachstehend diskutierten Nachteile.
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Beim Ausrasten entsteht ein Abrutschen an den Kugeln und kein Abrollvorgang.
Dadurch ist die Kupplung beim Ausrasten mit
einer sogenannten belastenden
Reibung behaftet, welche ein ungenaueres Ausrasten mit sich bringt.
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Beim freien Auslaufen nach der Überlast erfolgt ebenfalls ein Abrutschen
an den Kugeln, wodurch ein hohes Restmoment entsteht, was wiederum zu Wärmeentwicklung
führt. Somit kann bei einer solchen Kupplung keine lange Auslaufzeit bzw. keine
hohe Drehzahl zugelassen werden.
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Nach dem Ausrasten des beweglichen Teils der Kupplung bleibt dieses
in manchen Fällen in der ausgerasteten Position. Wenn ein elektrischer Endschalter
zur Abschaltung der Maschine verwendet wird, kann dies dazu führen, daß der Endschalter
während des ganzen Auslaufens berührt wird. Um dies zu vermeiden, werden berührungsfreie
Endschalter verwendet, die jedoch teuer sind und darüberhinaus eine elektronische
Steuerung benötigen.
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Bei verschiedenen bekannten Kupplungen spielt die Drehzahl für die
Drehmomenteinstellung eine große Rolle, d. h. die Kupplungen sind fliehkraftabhängig.
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Bei verschiedenen Kupplungen mußte wegen der Funktionsprinzipien die
Form der Kupplung so gewählt werden, daß sie entweder nicht symmetrisch oder, wenn
symmetrisch, dann mit außenliegenden
Teilen und Nocken versehen
waren, was eine ungünstige Form für umlaufende Teile ergab.
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Ein Wiedereinrastenentgegen der normalen Drehrichtung kann bei verschiedenen
Antrieben aus Konstruktionsgründen nicht durchgeführt werden.
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Bei manchen Konstruktionen werden die Kugeln der Kupplungen beim Wiedereinrasten
einem Schiebevorgang unterworfen, wodurch die Einrastkanten innerhalb der Kupplung
stark beansprucht und dadurch sehr stark abgenützt werden.
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Sicherheitskupplungen mit winkeltreuer Wiedereinrastung rasten auch
nach dem Auslauf genau nach 360° wieder ein, d.h. der Antrieb muß innerhalb einer
Umdrehung stillgesetzt werden, oder aber es entsteht ein Einrasten und sofortiges
Ausrasten, da die Überlast noch vorhanden ist. Dieses Ein- und Ausrasten beansprucht
die Kugel bzw. Rollensenkung sehr stark und führt zu Beschädigungen, wodurch ein
sicheres Funktionieren der Kupplung nicht mehr gewährleistet ist.
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Diese Nachteile sollen durch die vorliegende Erfindung beseitigt werden,
d.h. es soll eine Sicherheitskupplung vorgesehen werden, die bei einer genau einstellbaren,
drehzahlunabhängigen
Uberlast auslöst, wonach kein Restmoment mehr
beim freien und ungestörten Auslaufen vorhanden sein soll. Auch ist es erwünscht,
die Sicherheitskupplung so auszubilden, daß eine kurzzeitige mechanische Auslösung
eines elektrischen Endschalters ohne schleifenden Kontakt vor oder nach dem Auslösen
möglich wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil
des Patentanspruches gelöst.
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Beim Ausrasten der Kupplung entsteht ein Abrollvorgang, so daß keine
wesentliche Reibung auftritt und dadurch das Auslösemoment immer konstant bleibt.
Die Kugeln, die das Drehmoment übertragen, sind in einem Käfig geführt und somit
fliehkraftunabhängig. Eine Drehmomentänderung infolge der zunehmenden Fliehkraft
bei höheren Drehzahlen tritt nicht auf. Der Kugelkäfig selbst überträgt kein Drehmoment,
sondern es entsteht nur ein Abrollvorgang zwischen den beiden Kupplungshälften,
d.h. dem Druckflansch und dem Schaltteil.
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Nach der Überlast, d.h. während des Auslaufens, entsteht kein Restmoment,
da das Abrollen auf einem Axiallager zwischen den Kupplungshälften stattfindet.
Somit kann eine lange Auslaufzeit und eine hohe Drehzahl der Kupplung zugelassen
werden.
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Nach dem Ausrasten kann die Kupplung an ihrer Ausgangslage in Umfangsrichtung
vorbeirollen ohne wieder einzurasten, obwohl die eine Kupplungshälfte, d.h. das
Schaltteil unmittelbar nach dem Auslösen in die axiale Ausgangslage zurückkehrt.
Bei Verwendung eines mechanischen Endschalters schleift dieser daher nicht während
des ganzen Auslaufvorganges am Schaltteil.
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Ein solches Schleifen würde den Endschalterabstand und somit das eingestellte
Drehmoment mit der Zeit verändern. Auch wenn der Endschalter ausnahmsweise versagt,
kann die zu schützende Maschine nicht überbeansprucht werden, da die Antriebsverbindung
auch ohne die Wirkung des Endschalters unterbrochen bleibt.
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Die Drehrichtung für die Wiedereinrastung ist beliebig. Auch hierbei
erfolgt ein Abrollvorgang und kein Schiebevorgang an den Kugeln. Dies erhöht ebenfalls
die Genauigkeit und die Lebensdauer der Kupplung. Das Einrasten selbst wird mittels
eines IIakens- und eines Zapfenschlüssels vorgenommen, die am Druckflansch bzw.
am Kugelkäfig angesetzt werden. Dadurch kann der Einrastvorgang nur vom Bedienungspersonal
vorgenommen werden.
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Die Wiedereinrastung erfolgt dabei auf die Weise, daß genau die gleiche
Winkelbeziehung zwischen den Maschinenteilen eingenommen wird, die vor dem Auslösen
vorhanden war.
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Die Kupplung ist von außen her geschlossen und gegen Schmutz abgedeckt.
Wegen ihrer Symmetrie und wegen des Vorteils, keine außenliegenden Teile zu haben,
ist die Kupplung besonders für hohe Drehzahlen geeignet. Die einfache kompakte Bauform
bringt auch preisliche Vorteile.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im nachfolgenden
unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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In diesen zeigt Fig. 1 einen Axialschnitt durch die Sicherheitskupplung,
wobei der zugeordnete Endschalter ebenfalls dargestellt ist, Fig. 2 eine Draufsicht
auf die eine Kupplungshälfte, d.h.
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den Druckflansch, wobei der Schnitt A-B groß herausgezeichnet ist,
Fig. 3 den Kugelkäfig, der durch einen in einen Schlitz eingreifenden Anschlagstift
in seiner Drehbarkeit relativ zum Druckflansch begrenzt ist, Fig. 4 eine Teilschnittansicht
längs Linie C-D in Fig. 3.
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Auf einer mit einer Keilnut versehenen Nabe 1 sind die zwei Kupplungshälften,
d.h. der Druckflansch 2 und das Schaltteil 3 konzentrisch angeordnet. Das Schaltteil
3 ist axial verschieblich aber dreh starr mit der Nabe 1 verbunden und wird durch
Tellerfedern 15, die von einer Einstellmutter 4 auf der Nabe vorgespannt werden,
in Richtung auf den Druckflansch 2 beaufschlagt. Zwischen dem Schaltteil und dem
Druckflansch sind die Kugeln 14 vorgesehen, die von einem Kugelkäfig 5 geführt werden
und im eingerasteten Zustand in den kleinen Kugelsenkungen 21 im Druckflansch bzw.
im Schaltteil sitzen. Axial zwischen diesen beiden Kupplungshälften sitzt außerdem
ein Axiallager 18, dessen axiale Bauhöhe im wesentlichen dem Abstand der genannten
Kupplungshälften im eingerasteten Zustand entspricht.
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Zwischen dem Druckflansch 2 und einem Radialflansch 6 der Nabe 1 ist
ein weiteres Axiallager 12 vorgesehen. Außerdem ist ein Gleitlager 7 zur radialen
Festlegung des Druckflansches 2 vorgesehen.
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Ein Endschalterstift 11 eines Endschalters 10 greift in eine Umfangsnut
am Schaltteil 3 ein, so daß die kurzzeitige Axialverschiebung des Schaltteils 3
beim Auslösen der Sicherheitskupplung den Endschalter betätigt.
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Auf einer oder beiden Seiten einer jeder kleinen Kugelsenkung 21 sind
sehr viel größere Kugelsenkungen 20 vorgesehen, in die die Kugeln 14 beim Auslösen
der Kupplung beim Rechtslauf bzw.
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Linkslauf einfallen derart, daß die gegenüberliegende Kupplungshälfte
sich frei drehen kann. Der Anschlagstift 19 im Druckflansch 2 greift in einen konzentrisch
zur Achse der Kupplung gekrümmten Schlitz 22 im Kugelkäfig 5 ein (vgl. Fig.
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3), wobei dieser Schlitz eine Winkelausdehnung besitzt, die dem Winkelabstand
der großen Kugelsenkungen 20 beiderseits der kleinen Kugelsenkung 21 entspricht.
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Im nachfolgenden soll die Funktion der Kupplung beschrieben werden.
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Das Drehmoment geht von der Nabe 1 über vier Mitnehmerklauen am Schaltteil
sowie über das Schaltteil 3 selbst und die Kugeln 14 zum Druckflansch 2. An diesem
Druckflansch 2 können je nach Bedarf entweder die Antriebsflansche für den zweiten
Wellenstumpf oder Antriebselemente wie Kettenräder, Zahnräder usw.
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vorgesehen werden.
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An der Einstellmutter 4 wird über die Tellerfedern 15 das Ausrastmoment
eingestellt. Je höher der axiale Druck der Tellerfedern ist, desto größer ist das
eingestellte Drehmoment.
Wenn das Arbeitsmoment über das eingestellte
Drehmoment ansteigt, gleitet das Schaltteil 3 nach rechts (Fig. 1) und betätigt
den Endschalterstift 11. Danach rückt das Schaltteil 3 wieder nach links zurück
und liegt dann am Axiallager 18 an und kann frei auslaufen Im eingerasteten Zustand
wird das Schaltteil 3 durch Federn 15, die Kugeln 14, den Druckflansch 2 und das
Axiallager 12 gegen den Radialflansch 6 der Nabe 1 gedrückt. Im ausgerasteten Zustand,
d.h. wenn die Kupplung frei ausläuft, wird das Schaltteil 13 durch die Federn 15
gegen das Axiallager 18, den Druckflansch 2 und das Axiallager 12 gegen die Nabe
1 gedrückt.
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Dies geschieht dadurch, daß die Kugeln 14 aus der Senkung 21 im Druckflansch
2 ausrasten und in eine tiefere Senkung 20 im Druckflansch 2 wandern, wodurch das
Schaltteil 3 gegen das Axiallager 18 in Anlage kommt.
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Der Kugelkäfig 5 legt den gleichen Weg wie die Kugeln 14 zurück, wenn
diese in die tiefere Senkung des Druckflansches 2 wandern. Der Anschlagstift 19
begrenzt im Zusammenwirken mit dem Schlitz 22 die weitere Bewegung des Kugelkäfigs
(Fig. 3 und 4). Der Anschlagstift 19 verhindert ein weiteres Umlaufen des Kugelkäfigs
5, da die Kugeln sonst wieder nach rechts (Fig. 1) in das Schaltteil gedrückt würden,
das nach dem Ausrasten frei umläuft.
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Das Wiedereinrasten der Sicherheitskupplung wird dadurch vorgenommen,
daß die drei Teile der Kupplung, d.h. der Druckflansch 2, der Kugelkäfig 5 und das
Schaltteil 3 mit Hilfe von geeigneten Werkzeugen wieder in die richtige Relativlage
zueinander zurückbewegt werden, in der die Kugeln 14 in den Kugelsenkungen 21 liegen.
Um das Wiedereinrasten der Kupplung zu erleichtern, können auf der Umfangsfläche
der genannten drei Bauteile Markierungen vorgesehen werden, die zum Zwecke des Einrastens
aufeinander ausgerichtet werden müssen.