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Stirnzahnkupplung mit elektromagnetischer Betätigung
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Die Erfindung betrifft eine Stirnzahnkupplung mit elektromagnetischer
Betätigung, bestehend aus zwei zu kuppelnden Kupplungsteilen, die einem angetriebenen
und einem abgetriebenen Wellenteil zugeordnet sind, einen einem Kupplungsteil zugeordneten
Magnetteil mit einem vierpolig ausgebildeten Flansch und mit einem Träger für eine
ringförmige Stirnverzahnung, einer gegenüber diesem axial bewegbaren und dem anderen
Kupplungsteil zugeordneten vierpoligen Ankerscheibe als Träger für eine in gekuppeltem
Zustand in die Stirnverzahnung des Magnetteiles eingreifende Stirnverzahnung, sowie
aus einer Rückstellfeder, die die Stirnverzahnungen außer Eingriff bringt, wenn
die elektromagnetische Betätigung ausgelöst ist.
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Es sind neben elektromagnetisch betätigten Reibungskupplungen oder
Bremsen, wie sie zum Beispiel durch die DE-OS 26 38 944 bekannt sind, auch Stirnzahnkupplungen
der erwähnten Art bekannt geworden (DE-OS 23 07 551), bei denen ebenfalls das Prinzip
einer vierpoligen Ausbildung von dem Magnetteil zugeordnctcii Anzugs flansch und
einer beweglichen Allkerscheibe vcrwirklicht worden ist. Wahrend der zweifache Magnetschluß
sich bei Kupplungen oder Bremsen zwischen Ankerscheibe und Magnetteil verhältnismäßig
einfach verwirklichen läßt, weil hier die
Kupplungs- oder Bremsbeläge
sich über die ganze Andrückfläche der Ankerscheibe verteilen lassen, treten bei
der Verwirklichung an Stirnzahnkupplungen Schwierigkeiten insofern auf, als sich
auch bei vierpoliger Ausbildung von Ankerscheibe und Magnetflansch wegen des zumindestens
in einem radialen Teilbereich der Ankerscheibe verbleibenden Luftspaltes eine exakte
Verdoppelung der magnetischen Anzugskraft nicht verwirklichen läßt. So ist beispielsweise
bei der eingangs genannten bekannten Stirnzahnkupplung eine zweiteilige Ausbildung
der Ankerscheibe mit einem Innen- und einem Außenring und einem dazwischenliegenden
Luftspalt vorgesehen, wobei bei einer Ausführung diese beiden Ankerscheiben über
eine federnde Scheibe drehfest miteinander verbunden sind. Die Ankerscheibe ihrerseits
ist mit dem zugeordneten Kupplungsteil über eine Verzahnung drehfest verbunden,
die eine Axialbewegung der Ankerscheibe gegenüber dem Kupplungsteil erlaubt. Nachteilig
ist dabei zum einen, daß auf diese Weise keine spielfreie Drehmomentübertragung
zwischen Ankerscheibe und dem zugeordneten Kupplungsteil möglich ist und daß die
magnetische Anzugskraft trotz der vierpoligen Ausbildung nicht verdoppelbar ist,
sondern lediglich um den Betrag zunimmt, welche der übertragbaren Federkraft der
Federscheibe zwischen den beiden Ankerringen entspricht. Diese Federkraft läßt sich
nicht beliebig steigern, denn je größer die Steifigkeit dieser Federscheibe wird,
umso mehr wird ein verbleibender Luftspalt in Kauf genommen werden müssen, der bei
einer dort beschriebenen Ausführung allenfalls dazu ausgenutzt werden kann, das
Lösen der Kupplung zu erleichtern. Nachteilig ist aber dennoch, daß durch eine solche
Ausgestaltung kein sattes Anliegen der Ankerscheibe am Magnetflansch erreicht werden
kann, das unter Umständen auch Nachteile hinsichtlich des Eingriffes der Stirnverzahnung
selbst mit sich bringen kann, die nicht exakt axial schließbar ist. Diese Naditeile
mögen bei der dort beschriebenen AusführungW°die Haltekraft der Ankerscheibe durch
einen erregten Elektromagnet erreicht wird, noch nicht allzu schwer ins Gewicht
fallen. Wenn aber eine sogenannte Ruhestromkupplung geschaffen werden soll, die
mit Permanentmagneten arbeitet, so bringen solche Bauarten,
die
keinen exaktentmagnetischen Schluß gewährleisten, den entscheidenden Nachteil mit
sich, daß die Baugröße wegen der zu wählenden größeren Permanentmagneten stark zunimmt
und wiederum deshalb den Einsatz solcher Kupplungen beschränkt.
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Der vorliegend?n Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein optimaler Magnetschluß trotz
des Einsatzes einer Stirnverzahnung gewährleistet ist, so daß dadurch die aufzubringenden
Magnetkräfte und damit auch die Abmessungen der eingesetzten Magnete selbst kleiner
werden können.
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Die Erfindung besteht bei einer Stirnzahnkupplung der eingangs genannten
Art darin, daß mindestens eine der beiden Stirnverzahnungen Teil eines unabhängigen
Ringes ist, der auf einer Axialführung des zugeordneten Trägers aufgesetzt und dort
befestigt ist. Diese Ausgestaltung weist den großen Vorteil auf, daß der Luftspalt
zwischen Ankerscheibe und Magnetflansch bei der Montage durch die entsprechende
Axialverschiebung des mit der Stirnverzahnung versehenen Ringes mit Hilfe der dem
anderen Bauteil zugeordneten Stirnverzahnung zu Null gemacht werden kann, ohne daß
ein Spiel an der Stirnverzahnung auftritt. Dieser Luftspalt Null erlaubt es, die
Anzugskraft eines Magneten wegen der vierpoligen Ausbildung und der zweifachen magnetischen
Durchsetzung bei gleicher Größe auf das Doppelte zu steigern, so daß die Baugröße
der Magneten geringer gewählt werden kann.
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Diese Ausgestaltung bringt auch den großen Vorteil mit sich, daß der
Magnetteil mit einem die Stirnverzahnung der Ankerscheibe ständig in Eingriff mit
der zugeordneten Stirnverzahnung haltenden Permanentmagneten und mit einem gegen
dessen Kraftwirkung arbeitenden Schaltelektromagneten versehen sein kann. Diese
Ausgestaltung, die an sich bei Reibungskupplungen oder Bremsen bekannt ist, weist
den Vorteil auf, daß sie ohne
Energiezufuhr im gekuppelten Zustand
verbleibt und hier die Ubertragung großer Drehmomente erlaubt.
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Vorteilhaft ist es bei dieser Ausführungsform auch, wenn die Ankerscheibe
drehfest mit einer Membranfeder verbunden ist, die an dem zugeordneten Kupplungsteil
befestigt ist. Die Ankerscheibe kann dabei fest mit dem Umfang der Membranfeder
und der Innenring der Membranfeder kann mit den zu kuppelnden Kupplungsteil verschraubt
sein. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine spiel freie Drehmomentübertragung von
der Ankerscheibe auf das zugeordnete Kupplungsteil, was bei manchen Antrieben, beispielsweise
in der Webmaschinenindustrie von entscheidender Bedeutung ist. Wird bei einer solchen,Anordnung
der Magnetteil zusätzlich fest auf der angetriebenen Welle verkeilt, was beispielsweise
über ein an sich bekanntes Spannelement geschehen kann, dann fällt auch in diesem
Bereich ein Spiel weg, so daß die gesamte Kupplung spielfrei große Drehmomente als
Ruhestromkupplung übertragen kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung wirkt - in an sich bekannter
Weise - das Magnetfeld des Elektromagneten der Kraftwirkung des Permanentmagneten
entgegen. Wird daher der Elektromagnet so ausgebildet, daß die Erregung sowohl umpolbar
als auch in ihrer Intensität variierbar ist, so wird der Vorteil erreicht! daß entweder
die Anzugskraft des Permanentmagneten elektromagnetisch verstärkt oder aufgehoben
werden kann, so daß dann die Kupplung durch die Membranfeder gelöst wird. Da die
Stirnverzahnungen solcher Kupplungen wegen der Flankenschräge neben den in Umfangsrichtung
wirkenden Kräfte auch Axialkräfte unterworfen sind, die von bestimmten Drehmomenten
an größer sein können als die Anzugskraft des Permanentmagneten, so läßt sich auf
diese Weise auch eine einwandfrei lösende Uberlastkupplung dadurch ausbilden, daß
der Stirnverzahnung ein Fühler zugeordnet ist, der den axialen Abstand der beiden
mit den Stirnverzahnungen versehenen Teile überwacht und mit einem Schaltelement
zur Beaufschlagung des Elektromagneten
verbunden ist, welcher dann,
wenn aufgrund der Größe des Drehmomentes die Stirnverzahnung sich zu lösen beginnt,
diesen Lösevorgang unterstützt und damit eine SicherheitSkupplung zu verwirklichen
erlaubt, die bei bestimmten Drehmomenten automatisch abgeschaltet wird und damit
auch eine Überlastung der zu kuppelnden Teile verhindert. Dieses Grenzdrehmoment
läßt sich durch die Wahl des Permanentmagneten und durch die Art der Stirnverzahnung
festlegen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispieles in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen
schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ruhestromkupplung mit einem
auf einem Wellenteil aufgesetzten Magnetteil und einer dem zu kuppelnden Teil zugeordneten
Ankerscheibe im gekuppelten Zustand, Fig. 2 eine Detaildarstellung der Stirnverzahnung
im entkuppelnden Zustand, Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung eines Teilschnittes
gemäß der Linie III in der Fig. 3 durch die Stirnverzahnung zur Erläuterung der
Kraftverhältnisse, Fig. 4 den Magnetjochteil des Magnetteiles mit dem auf gesetzten
Stirnverzahnungsring und Fig. 5 einen Teilausschnitt der zur Rückbewegung der Ankerscheibe
verwendeten Membranfeder.
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In der Fig. 1 ist auf das Ende einer Welle 1 ein Magnetteil 2 aufgesetzt,
der aus einem drehfest mit der Welle 1 verbundenen Rotor 3, der einen Teil des magnetischen
Joches bildet und aus einem drehbaren gegenüber dem Rotor 3 und der Welle 1 gelagerten
Spulenteil 4 besteht. In dem Spulenteil 4 ist zum einen ein
Permanentmagnet
5 und zum anderen ein Elektromagnet 6 angeordnet, dessen Stromzuführung 7 ortsfest
zu dem Spulenteil 4 durch ein feststehendes und nicht näher dargestelltes Gehäuseteil
8 schleifringlos herausgeführt werden kann. Der Spulenteil 4 bleibt daher gegenüber
dem Rotor 3 stehen.
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Der Rotor 3 besteht ebenso wie der Spulenteil 4 aus magnetisch leitfähigem
Material und ist lediglich an dem links gelegenen Flanschteil 9 mit zwei aus unmagnetischem
Material bestehenden Ringeinsätzen 10 versehen, die, wie später noch erläutert werden
wird, eine Umlenkung der Magnetflußlinien bewirken sollen. Außen besitzt der Rotor
3 eine axiale Führungsfläche 11 für einen im Ausführungsbeispiel ebenfalls aus unmagnetischem
Material hergestellten Ring 12, der auf seiner vom Permanentmagneten 5 abgewandten
Seite mit einer Stirnverzahnung 13a versehen ist, die in der Stellung der Fig. 1
mit einer Stirnverzahnung 13b einer Ankerscheibe 14 spielfrei in Eingriff steht,
die satt und ohne Luftspalt an der Gegenfläche des Flansches 9 anliegt. Auch die
Ankerscheibe 14 ist etwa in ihrer Mitte mit einem Einsatzring 15 aus unmagnetischen
Material versehen, der zusammen mit den Einsätzen 10 in dem Flansch 9 eine Unterteilung
der den Magnetschluß bewirkenden Flächen von Flansch 9 und Ankerscheibe 14 in vier
Pole bewirkt, so daß der Magnetfluß vier-mal die Grenzfläche zwischen Ankerscheibe
14 und Flansch 9 durchdringen muß, und so die Haltekraft des Permanentmagneten 5
verdoppelt wird.
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Die Ankerscheibe 14 ist über die Schrauben 17 fest mit dem äußeren
Umfang einer in Fig. 5 teilweise gezeigte Membranfeder 18 drehfest verbunden. Die
Schrauben 17 greifen durch die Bohrungen 19 der Membranfeder 18. Der Innenring der
Membranfeder 18 ist mit Hilfe von Schrauben 20 drehfest mit einem Kupplungsteil
21 verbunden, auf das die Drehbewe-gung der Welle 1,die somit das erste Kupplungsteil
bildet, übertragen werden soll. Das Kupplungsteil 21 kann beispielsweise ein Zahnrad
aber auch ein anderes Abtriebsteil sein. Die Schrauben 20 greifen durch die Bohrungen
22 der Membranfeder 18, die im
übrigen mit radial verlaufenden
Speichen versehen ist und dazu dient, die Ankerscheibe 14 und deren Stirnverzahnung
13b außer Eingriff mit der Stirnverzahnung 13a des Rotors 3 zu bringen, wenn die
Anzugskraft des Permanentmagneten 5 durch entsprechende Erregung des Elektromagneten
6 aufgehoben wird, so daß die Rückstellkraft der Membranfeder 18 ausreicht, um die
Ankerscheibe von der Anlagefläche am Flansch 9 wegzuziehen und somit die Kupplungswirkung
der Stirnverzahnung 13 aufzuheben.
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Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, liegt die Ankerscheibe 14 bei nicht
erregtem Elektromagneten satt und ohne Luftspalt an der entsprechenden Außenfläche
des Flansches 9 an. Um in dieser Stellung zu erreichen, daß die Stirnverzahnung
13 spielfrei ineinandergreift und eventuelle Herstellungstoleranzen nicht dazu führen,
daß sich zwischen den zugeordneten Flächen von Ankerscheibe 14 und Flansch 9 ein
Luftspalt ergibt, ist der mit der Stirnverzahnung 13a versehene Teil, nämlich der
Ring 12, als ein unabhängiges Bauteil ausgebildet. Die Stirnverzahnung 13a ist also
nicht, wie es an sich möglich wäre, Teil des Rotors 3 bzw. des Flansches 9, sondern
Teil des Ringes 12, der bei der Montage auf seine entsprechende Axialführung 11
aufgesetzt und durch das Anlegen der Ankerscheibe 14 mit der Stirnverzahnung 13b
so weit auf dieser Axialführungsfläche 11 verschoben wird, bis die Ankerscheibe
14 satt am Flansch 9 anliegt. Der Ring 12 befindet sich dann in einer Lage, in der
die Stirnverzahnung 13 spielfrei ineinandergreift. Der Ring 12 ist mit Preßsitzt
auf die Führung 11 aufgebracht und wird, wie aus Fig. 4 noch hervorgeht, nach der
Montage noch durch radial verlaufende Stifte 23 in seiner Endlage gesichert.
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Der Rotor 3 selbst ist durch an sich bekannte Spannelemente 24 fest
auf der Welle 1 verkeilt, so daß durch diese Ausgestaltung eine spielfreie Übertragung
eines von der Welle 1 auf den Rotor 3 übertragenen Drehmomentes über die Stirnverzahnung
13 und die Ankerscheibe 14 mit Hilfe der Membranfeder 18 auf den Kupplungsteil 21
möglich ist. Die Stromzuführung zum Elektromagneten 6
erfolgt dabei
schleifringlos und es ist, wie aus Fig. 1 hervorgeht, der Spulenteil 4 und das Gehäuse
8 über ein Kugellager 25 gegenüber der drehenden Welle 1 gelagert. Die neue Ausgestaltung
erlaubt daher eine spielfreie Drehmomentübertragung. Durch die Verdoppelung der
Anzugskraft des Permanentmagneten 5 lassen sich hohe axiale Haltekräfte in der Stirnverzahnung
13 verwirklichen.
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Die gezeigte Ausführung bietet auch die Möglichkeit, die Kupplung
als Überlastsicherung einzusetzen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ruft die zunächst
in Umfangsrichtung wirkende vom Drehmoment ausgeübte Kraft U wegen der schrägen
Flanken 26 der einzelnen Zähne 27 neben einer senkrecht zur Angriffsfläche wirkenden
Kraft auf die Zahnflanken auch eine in Achsrichtung wirkende Komponente A hervor,
die bis zu einer gewissen Größe von dem zwischen dem Zahnflanken herrschenden Reibungskräften
aufgenommen werden kann. Von einer bestimmten Umfangskraft ab, d.h. also, von einem
bestimmten Drehmoment ab, wirkt diese Axialkomponente A jedoch so, daß sich die
Stirnverzahnungen 13a und 13b voneinander zu lösen beginnen.
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Die Größe dieser Kraft hängt von der Zahnform ab. Das Lösen der Verzahnungen
13a und 13b im Ausführungsbeispiel zusätzlich noch von der Haltekraft des Permanentmagneten
5, die, wie erläutert, durch die gewählte Konstruktion beträchtlich gesteigert werden
kann. Trotz der Möglichkeit, große Drehmomente über die Stirnverzahnung zu übertragen,
ergibt sich jedoch auch bei einer Kupplung nach dem Ausführungsbeispiel ein Grenzdrehmoment,
bei dem ein verhältnismäßig unkontrolliertes Lösen der Verzahnung erwartet werden
muß. Diese an sich zunächst unerwünschte Erscheinung kann aber zur Erzielung einer
Überlastkupplung ausgenutzt werden, wenn der Stirnverzahnung 13, wie in Fig. 1 angedeutet,
ein Fühler 28 zugeordnet wird, der beispielsweise auf kapazitive oder auch induktive
Weise eine Axialverschiebung zwischen den Teilen 12 und 14 registriert und beim
Erreichen eines bestimmten Grenzwertes ein Signal an eine Schalteinrichtung weitergibt,
die dafür sorgt, daß der Elektromagnet 6 beaufschlagt wird und gezielt den Entkupplungsvorgang
der Stirnverzahnung 13
fördert. Natürlich' ist es auch möglich,
wenn der Elektromagnet 6 umpolbar geschaltet ist, seine Anzugskraft zu der des Permanentmagneten
5 zu addieren, so daß für bestimmte Anwendungsfälle auch eine Erhöhung des übertragbaren
Drehmomentes möglich ist.
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Schließlich ist es auch denkbar, durch die Abstimmung der vom Elektromagneten
6 und vom Permanentmagneten 5 ausgeübten Magnetkräfte definierte Schaltzustände
für die Kupplung zu erreichen.
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Die neue Kupplung weist den Vorteil auf, daß verhältnismäßig raumsparende
Permanentmagneten eingesetzt werden können, so daß der Raumbedarf der Kupplung gering
ist. Vorteilhaft ist vor allen Dingen aber auch, daß trotz des geringen Raumbedarfes
erhebliche Drehmomente spielfrei übertragen werden können, was bisher nicht möglich
war.