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Bewegliche Kupplung
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B e s c h r e i b u n g Die Erfindung betrifft eine bewegliche Kupplung
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.
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Derartige Ausgleichskupplungen werden überall dort eingesetzt, wo
es gilt, Drehbewegungen von einer Welle auf eine andere bei relativ geringen Drehmomenten
zu übertragen und insbesondere Winkelversetzungen dieser Wellen durch eine Gleitbewegung
der kreuzweise auf der Zwischenscheibe angeordneten Kupplungsklauen in den dafür
vorgesehenen Nuten
der scheibenförmigen Kupplungshälfte auszugleichen.
Da die Klauen unter Vorspannung in die Nuten der beiden Kupplungshälften eingesetzt
sind, erfolqt die Drehübertragung trotz Winkelversetzungen der Wellen spielfrei.
Es können aber auch im begrenzten Umfang, nämlich entsprechend der Länge der Kupplungsklauen
axiale Versetzungen der Wellen durch diese Ausgleichskupplung aufgenommen werden,
wobei der spielfreie Ausgleich axialer Wellenversetzungen in starkem Maße von der
Vorspannung der Kupplungsklauen abhängt.
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Diese bewegliche Kupplung wird beispielsweise zum Anschluß eines Inkrementalgebers
an einen Servomotor oder auch zum Anschluß eines Schrittmotors an Kugelrollspindeln
verwendet, wobei die einfache Steckbarkeit der klauentragenden Zwischenscheibe die
Montage und Demontage dieser Ausgleichskupplung wesentlich vereinfacht.
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Nachteilig ist es jedoch, daß die bewegten, nämlich gegeneinander
gleitenden Kupplungsteile aufgrund der Klauenvorspannung einer relativ großen Reibbelastung
ausgesetzt sind, so daß bereits nach kurzem Einsatz dieser Ausgleichskupplung die
Gleitflächen so stark abgenützt sind, daß die Kupplungsteile die Antriebskraft nicht
mehr spielfrei übertragen können.
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Sobald diese Kupplung nur noch unter Spiel arbeitet, ist eine präzise
Übertragung von Drehbewegungen nicht mehr gegeben, so daß es gerade beim Einsatz
in Zusammenhang mit Inkrementalgebern oder beim Antrieb von Kugelrollspindeln zu
Übermittlungsfehlern bzw. zu Steuerfehlern kommt.
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Eine weitere Nachteil dieser bekannten Kupplung besteht darin, daß
die miteinander zu verbindenden Wellen stark torsionsbeansprucht sind, da der Ausgleich
des Winkelversatzes der Wellen in Abständen von einer Viertelumdrehung der Kupplung
durch Gleitausgleich der gegeneinander bewegbaren Kupplungsteile
erfolgt.
Besonders kritisch ist die Torsionsbelastung für dünne Kunststoffwellen, die aus
Gründen der Gewichts- oder Kostenersparnis in den bevorzugten Einsatzgebieten für
diese Ausgleichskupplung verwendet werden.
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Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine eingangs genannte Kupplung mit Beweglichkeit der gekuppelten Wellen
zu schaffen, die auch nach längerem Einsatz noch eine spielfreie Drehverbindung
der Wellen gewährleistet, und zwar auch dann, wenn ein größerer Winkelversatz der
Wellen vorliegt.
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Diese Aufgabe wird in Übereinstimmung mit dem kennzeichnenden Teil
des Anspruches 1 gelöst.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Kupplungshälften, Nut
und gespreizter Klaue wird erreicht, daß der Berührungsbereich zwischen Nut und
Klaue auf ein Minimum reduziert wird.
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Der Berührungsbereich ist erfindungsgemäß praktisch auf zwei Gleitlinien
zwischen Nut und Klaue reduziert. Demgemäß findet Reibung zwischen Nut und Klaue
auch nur entlang dem Linienkontakt zwischen diesen beiden Teilen statt. Dies hat
zur Folge, daß die Reibbelastung der beweglichen Kupplungsteile im Vergleich zum
Stand der Technik wesentlich herabgesetzt ist. Die Standzeit der erfindungsgemäßen
Kupplung ist somit ' ungleich höher als diejenige der bekannten Kupplungen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kupplung ist darin zu sehen,
daß die den Winkelversatz der Wellen ausgleichende Gleitbewegung der beweglichen
Kupplungsteile aufgrund der stark reduzierten Reibung zwischen diesen Teilen nicht
erst nach einer viertel Umdrehung wie bei der Kupplung nach dem Stand der Technik,
sondern bereits früher einsetzt.
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Dadurch werden auch die Wellen wesentlich weniger stark
torsionsbelastet.
Außerdem erfolgt die Drehübertragung wesentlich weicher, so daß auch an die Wellen
angeschlossene Aggregate weniger stark belastet werden.
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Ein weiterer entscheidender Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgleichskupplung
besteht darin, daß sie quer zur Gleitebene von Klaue und Nut eine begrenzte Knickbewegung
zuläßt, mit welcher vor allen Dingen ein größerer Winkelversatz der Wellen von der
Kupplung aufgenommen werden kann. Innerhalb durch den Knickwinkel vorgegebener Grenzen
wirkt die erfindungsgemäße Kupplung auf ihren in Kreuzform angeordneten Klauen als
kardanisches Gelenk. Im Extremfall sind die zur Klauenteilung parallelen Kanten
der Klauen nicht nur angefast oder abgerundet, sondern die vordere Klauenfroitinsgesamt
als Zylinderfläche ausgebildet.
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Als freier Knickwinkel sei derjenige Winkel zwischen Nut und Zwischenscheibe
bezeichnet, bei dessen Ausnutzung es gerade eben noch nicht zu einer Vergrößerung
des Berührungsbereiches zwischen dem Klauenprofil und der Nutenkontur kommt. Vorteilhafterweise
wird der Knickwinkel durch eine spezielle Ausbildung der Stirnflächen der Zwischenscheibe
sowie der Stirnflächen der gegenüberliegenden Kupplungshälfte begrenzt. Dabei ist
vorzugsweise die Zwischenscheibe quer zur Klauenteilung dachförmig so abgeschrägt,
daß sie bei größtmöglicher zulässiger Abknickung an der Stirnfläche der jeweils
gegenüberliegenden Kupplungshälfte zum Anschlag kommt, bevor der Berührungsbereich
zwischen Klaue und Profil und Nutkontur über den Gleitlinienkontakt hinaus vergrößert
wird.
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Um den soeben definierten größten Knickwinkel ausnutzen zu können,
hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Ubergangskanten zwischen Nut und Stirnfläche
der Kupplungshälfte anzufasen oder abzurunden. Alternativ hierzu ist es vorzugsweise
vorgesehen,
in den Stirnflächen der Zwischenscheibe, und zwar im Bereich der Klauenbasis, Auskehlungen
vorzusehen, die parallel zur Klauenteilung verlaufen. Durch die beiden zueinander
alternativen Maßnahmen wird erreicht, daß bei voll in die Nut eingefahrener Klaue,
also bei minimaler axialer Versetzung der Wellen,die Übergangskanten zwischen Nut
und Stirnfläche der Kupplungshälfte die Knickbewegung nicht blockieren.
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Klauenprofil und Nutkontur sind im wesentlichen vorzugsweise ebene
Flächen, wobei der Nutquerschnitt rechteckig gehalten ist. Die Nut kann jedoch auch
als keilförmige Ausnehmung ausgebildet sein, wenn mit der erfindungsgemäßen Kupplung
ein Axialspiel der Wellen auszugleichen ist. Bei der keilförmigen Nut wird erreicht,
daß die beiden Wellenenden axial gegeneinander verspannt sind und axiales Spiel
damit ausgeglichen wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestalung der Nutkontur sieht es vor,
diese im Berührungsbereich mit der Klaue schalenförmig auszubilden, vozugsweise
zylinderschalenförmig.
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Ein weiterer Vorteil der Anfasung oder Abrundung des freien Klauenendes
besteht in der leichten Einführbarkeit der gespreizten Klaue in die Nut, deren lichte
Breite kleiner ist als die größte Breite der gespreizten Klaue im entspannten Zustand.
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Vorzugsweise ist als radiale Klauenteilung ein zur Klauenbasis gerichteter
Keilschlitz in der Klaue.eingebracht. Dieser im Querschnitt V-förmige Schlitz ist
nicht zuletzt günstig für eine Großserienfertigung der erfindungsgemäßen Kupplung.
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Der auf zwei Gleitlinien reduzierte Bewegungsbereich zwischen Klaue
und Nut macht vorteilhafterweise jeden Einsatz eines Schmiermittels zwischen diesen
beiden bewegten Kupplungsteilen überflüssig.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kupplung besteht darin,
daß diese ohne Einsatz von Werkzeugen ein-und ausgebaut werden kann, nicht zuletzt
deshalb, weil das freie,angefaste Klauenende ohne die Verwendung von Spannwerkzeugen
in die Nut einführbar ist.
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Weiterhin ist es vorteilhafterweise vorgesehen, Zwischenscheibe und
Kupplungsklauen mit einer gemeinsamen Axialbohrung zu versehen, die sich mindestens
vom freien Klauenende bis in den Bereich der Zwischenscheibenstirnflächen erstreckt.
Diese Axialbohrung wird im Durchmesser größer gewählt als der Außendurchmesser der
miteinander zu verbindenden Wellenenden, um die Knickbewegung der Wellenenden bzw.
der Zwischenscheibe gegenüber den Kupplungshälften nicht zu behindern. Der Vorteil
der Axialbohrung besteht darin, daß für die Ausgleichskupplung praktisch keinerlei
axiale Baulänge berücksichtigt werden muß, da die Wellenenden bis auf einen die
Kippbewegung der Wellen noch zulassendes Maß innerhalb der Kupplung aneinandergeführt
sein können.
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Sowohl fertigungstechnisch als auch zugunsten einer weiteren Herabsetzung
der Reibung ist es vorteilhaft, die Zwischenscheibe und die Kupplungsklauen einstückig
als Spritzgußteil aus Kunststoff auszubilden. Als Kunststoffmaterial eignet sich
in besonderem Maße ein Polyacetal.
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Die beiden Kupplungshälften sind vorteilhafterweise aus Metall hergestellt,
sie können aber auch aus . Kunststoffspritzteilen bestehen. Der Anschluß zwischen
Kupplungshälften und Wellen erfolgt in an sich bekannter Weise, beispielsweise durch
eine Schraubverbindung. Dabei ist es vorgesehen, die Schraubverbindung durch eine
Klemmschraube herzustellen, die in eine radial verlaufende Gewindebohrung der jeweiligen
Kupplungshälften eingesetzt und gegen die Wellenoberfläche geschraubt ist. Eine
besonders preisgünstige Verbindung
zwischen Welle und Kupplungshälfte
zeichnet sich dadurch aus, daß in der Kupplungshälfte eine Paßbohrung vorgesehen
ist, die einen axialen Schlitz aufweisen kann, in welche die Welle spielfrei einsetzbar
und durch Klemmverbindung gehaltert ist.
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In den Schutzumfang der erfindungsgemäßen Kupplung ist selbstverständliche
auch die kinetische Umkehr dieser Kupplungsart mit eingeschlossen. Das heißt, daß
die Klauen statt an der Zwischenscheibe auch an den beiden Kupplungshälften ausgebildet
sein können.In diesem Fall trägt die Zwischenscheibe zwei kreuzförmig zueinander
angeordnete Nuten. Die Kupplungsscheibe kann auch an einer Stirnseite mit Kupplungsklauen
und der anderen mit einer Kupplungsnut versehen sein. In diesem Fall ist die eine
Kupplungshälfte mit einer Nut und die andere mit entsprechenden Kupplungsklauen
versehen.
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Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden;
in dieser zeigt: Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Darstellung der mit Kupplungsklauen
versehenen Zwischenscheibe im ausgebauten Zustand; Fig. 2 die Kupplungsscheibe mit
Klauen von Fig. 1, wobei die gespreizten Klauen indie Nut einer Kupplungshälfte
eingesetzt sind und Fig. 3 die Anordnung von Fig. 2, wobei Zwischenscheibe und Kupplungshälfte
zueinander winkelversetzt sind.
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Die in Fig. 1 dargestellte Zwischenscheibe 10 dient der drehfesten
Verbindung zweier Kupplungshälften, die ihrerseits drehfest mit Wellen verbunden
sind, die mehr oder weniger stark radial gegeneinander versetzt sind. Von den beiden
an die nicht dargestellten Wellen angeschlossenen Kupplungshälften ist in den Fig.
2 und 3 jeweils nur eine teilweise dargestellt. Diese Kupplungshälfte weist eine
Paßbohrung 7 zur Aufnahme des Wellenendes auf.
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An jeder der beiden Stirnseiten der Zwischenscheibe 10 sind radial
verlaufend und axial vorstehend Kupplungsklauen 23 bzw. 21,22 ausgebildet. Im dargestellten
Ausführungsbeispiel trägt jede Stirnfläche der Zwischenscheibe 10 jeweils ein Paar
von Kupplungsklauen, die radial innenliegend eine Durchgangsbohrung 12 umschließen,
die dazu dient, die nicht dargestellten Wellenenden bis in den Bereich der Zwischenscheibe
10 in die Kupplung einzusetzen.
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Jedes der Klauenpaare 21,22 bzw. 23 ist durch einen Keilschlitz 27
radial geteilt und elastisch gespreizt ausgebildet.
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Zwischenscheibe und Klauen bilden ein einstückiges Spritzgußteil aus
POM-Kunststoff. Die Klauenpaare sind jeweils parallel zueinander ausgerichtet und
liegen im wesentlichen senkrecht zum Klauenpaar auf der gegenüberliegenden Stirnfläche
der Zwischenscheibe 10.
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In der Kupplungshälfte5 in Fig. 2 und 3 ist ein Nut 30 ausgebildet,
in welche die Zwischenscheibe 10 mit ihrem Klauenpaar 23 im eingebauten Zustand
eingesetzt ist. Im eingebauten Zustand greifen die radial geteilten und elastisch
gespreizten Klauen unter Spannung in die Nut 30 ein. Dabei ist von entscheidender
Bedeutung, daß die radial und axial außenliegenden zur Klauenteilung parallelen
Kanten 25 und 26 lediglich in Linienkontakt mit der Kontur der Nut 30 stehen. Dieser
Linienkontakt
wird dadurch ermöglicht, daß die lichte Breite der Nut 30 kleiner ist als die größte
Breite der gespreizten Klaue 23 im entspannten Zustand, wobei die Klauen im Bereich
der Kanten 25, 26 zusätzlich angefast sind. Dadurch wird nämlich erreicht, daß der
Berührungsbereich zwischen dem Klauenprofil und der Nutkontur im wesentlichen auf
zwei zur Klauenteilung parallelen Gleitlinien reduziert ist, die übereinstimmen
mit den Kanten 28 und 29, die durch Anfasung der Klauenkanten 25 und 26 erzeugt
sind.
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Die durch das Klauenpaar 23 unterbrochene Stirnfläche i1,11' der Zwischenscheibe
10 ist dachförmig derart abgeschrägt, daß sie bei größtmöglicher Abknickung der
Zwischenscheibe 10 an der Stirnfläche 6 oder 6' der gegenüberliegenden Kupplungshälfte
5 zum Anschlag kommt in Fig. 3 an der Stirnfläche 6.
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Auskehlungen 24, 24' verlaufen im Bereich der Klauenbasis parallel
zur Klauenteilung auf der Stirnfläche 11,11'. Dadurch wird erreicht, wie aus Fig.
3 ersichtlich, daß der Knickwinkel der Scheibe 10 mit Bezug auf die Kupplungshälfte
5 bis zum gegenseitigen Anschlag der Scheibenstirnfläche 11 und der Kupplungshälftenstirnfläche
6 voll ausgenützt werden kann, ohne daß die Längskante 31 am Ausgang der Nut 30
zur Blockierung der Zwischenscheibe 11 führt. Alternativ zu den Auskehlungen 24,
24' können die beiden Längskanten 31, 32' am Ausgang der Nut der Kupplungshälfte
5 abgerundet oder angefast ausgebildet sein.