DE3543025C2 - Bewegliche Kupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine bewegliche Kupplung.

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 auszugleichen.

Eine derartige bewegliche Kupplung ist beispielsweise aus der US-PS 2 433 791 bekannt. Diese bekannte Kupplung verfügt über ein kreuzförmiges Mittelteil mit rechtwinklig zueinander ange­ ordneten radialen Armen, die in sich transversal erstreckenden Paaren von gebogenen Federflanschen enden. Auf beiden Seiten dieses Zwischenteils sind jeweils ein mit einer Welle verbun­ denes Klemmglied angeordnet, welches mit einer Art Nut verse­ hen ist, in welche die zu diesem Klemmglied weisenden Flansche des Zwischenteils eingreifen. Die Kanten dieser Nut sind dabei abgefast.

Bei einer weiteren derartigen Kupplung sind die miteinander zu verbindenden Wellenenden jeweils drehfest mit einer scheiben­ förmigen Kupplungshälfte verbunden, die ihrerseits über eine Zwischenscheibe drehfest miteinander verbunden sind. Dabei wird die Winkelversetzung zwischen den Wellen durch eine Gleitbewegung von kreuzweise auf einer Zwischenscheibe ange­ ordneten Kupplungsklauen in dafür vorgesehenen Nuten der scheibenförmigen Kupplungshälfte ausgeglichen. Da die Klauen unter Vorspannung in die Nuten der beiden Kupplungshälften eingesetzt sind, erfolgt die Drehübertragung trotz Winkelver­ setzungen der Wellen spielfrei. Es können aber auch im be­ grenzten Umfang, nämlich entsprechend der Länge der Kupplungs­ klauen axiale Versetzungen der Wellen durch diese Ausgleichs­ kupplung aufgenommen werden, wobei der spielfreie Ausgleich axialer Wellenversetzungen in starkem Maße von der Vorspannung der Kupplungsklauen abhängt.

Diese bewegliche Kupplung wird beispielsweise zum Anschluß ei­ nes Inkrementalgebers an einen Servomotor oder auch zum An­ schluß eines Schrittmotors an Kugelrollspindeln verwendet, wo­ bei die einfache Steckbarkeit der klauentragenden Zwischen­ scheibe die Montage und Demontage dieser Ausgleichskupplung wesentlich vereinfacht.

Nachteilig ist es jedoch, daß die bewegten, nämlich gegenein­ ander gleitenden Kupplungsteile aufgrund der Klauenvorspannung einer relativ großen Reibbelastung ausgesetzt sind, so daß be­ reits nach kurzem Einsatz dieser Ausgleichskupplung die Gleit­ flächen so stark abgenützt sind, daß die Kupplungsteile die Antriebskraft nicht mehr spielfrei übertragen können. 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.

Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Kupplung besteht darin, daß die miteinander zu verbindenden Wellen stark torsionsbean­ sprucht sind, da der Ausgleich des Winkelversatzes der Wellen in Abständen von einer Viertelumdrehung der Kupplung durch Gleitausgleich der gegeneinander bewegbaren Kupplungsteile er­ folgt. Besonders kritisch ist die Torsionsbelastung für dünne Kunststoffwellen, die aus Gründen der Gewichts- oder Kostener­ sparnis in den bevorzugten Einsatzgebieten für diese Aus­ gleichskupplung verwendet werden.

Eine Kupplung des letzteren Typs ist beispielsweise aus der JP 57-5532 U bekannt. Bei dieser bekannten Kupplung ist zudem die Breite der Nut in der mit dem Wellenende verbundenen Kupp­ lungshälfte kleiner als die größte Breite der gespreizten, auf der Zwischenscheibe befindlichen Klaue im entspannten Zustand.

Eine weitere Kupplung des letzteren Typs ist ferner aus der EP 0 114 895 bekannt, bei der die Stirnfläche der Zwischenscheibe im Bereich der Klauenbasis parallel zur Klauenteilung verlau­ fende Ausnehmungen besitzt.

Aus der Bremsen betreffenden US-PS 1 702 407 ist zudem be­ kannt, daß man die Stirnflächen einer Zwischenscheibe einer Kupplung so abschrägen kann, daß sie bei großem Knickwinkel an der gegenüberliegenden Kupplungshälfte zur Anlage kommt.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kupplung mit Beweglichkeit der gekup­ pelten 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.

Diese Aufgabe wird durch die Lehre des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung von Kupplungshälften, Nut und gespreizter Klaue wird erreicht, daß der Berührungsbe­ reich zwischen Nut und Klaue auf ein Minimum reduziert wird. Der Berührungsbereich ist erfindungsgemäß praktisch auf zwei Gleitlinien zwischen Nut und Klaue reduziert. Demgemäß findet Reibung zwischen Nut und Klaue auch nur entlang dem Linienkon­ takt zwischen diesen beiden Teilen statt. Dies hat zur Folge, daß die Reibbelastung der beweglichen Kupplungsteile im Ver­ gleich zum Stand der Technik wesentlich herabgesetzt ist. Die Standzeit der erfindungsgemäßen Kupplung ist somit ungleich höher als diejenige der bekannten Kupplungen.

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. 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.

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 auf genommen 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 abge­ rundet, sondern die vordere Klauenfrontinsgesamt als Zylinder­ fläche ausgebildet.

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. Vorteil­ hafterweise wird der Knickwinkel durch eine spezielle Ausbil­ dung der Stirnflächen der Zwischenscheibe sowie der Stirn­ flächen der gegenüberliegenden Kupplungshälfte begrenzt. Dabei ist vorzugsweise die Zwischenscheibe quer zur Klauenteilung dachförmig so abgeschrägt, daß sie bei größtmöglicher zu­ lässiger Abknickung an der Stirnfläche der jeweils gegenüber­ liegenden Kupplungshälfte zum Anschlag kommt, bevor der Berührungsbereich zwischen Klaue und Profil und Nutkontur über den Gleitlinienkontakt hinaus vergrößert wird.

Um den soeben definierten größten Knickwinkel ausnutzen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Übergangs­ kanten zwischen Nut und Stirnfläche der Kupplungshälfte an­ zufasen 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 zueinan­ der 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.

Klauenprofil und Nutkontur sind im wesentlichen vorzugsweise ebene Flächen, wobei der Nutquerschnitt rechteckig gehalten ist. Die Nut kann jedoch auch als keilförmige Ausnehmung aus­ gebildet sein, wenn mit der erfindungsgemäßen Kupplung ein Axialspiel der Wellen auszugleichen ist. Bei der keilförmigen Nut wird erreicht, daß die beiden Wellenenden axial gegeneinan­ der verspannt sind und axiales Spiel damit ausgeglichen wird. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Nutkontur sieht es vor, diese im Berührungsbereich mit der Klaue schalenförmig auszubilden, vorzugsweise zylinderschalenförmig.

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.

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.

Der auf zwei Gleitlinien reduzierte Bewegungsbereich zwischen Klaue und Nut macht vorteilhafterweise jeden Einsatz eines Schmiermittels zwischen diesen beiden bewegten Kupplungsteilen überflüssig.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kupplung besteht darin, daß diese ohne Einsatz von Werkzeugen ein-und ausge­ baut werden kann, nicht zuletzt deshalb, weil das freie, angefaste Klauenende ohne die Verwendung von Spannwerkzeugen in die Nut einführbar ist.

Weiterhin ist es vorteilhafterweise vorgesehen, Zwischen­ scheibe 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.

Sowohl fertigungstechnisch als auch zugunsten einer weiteren Herabsetzung der Reibung ist es vorteilhaft, die Zwischen­ scheibe und die Kupplungsklauen einstückig als Spritzgußteil aus Kunststoff auszubilden. Als Kunststoffmaterial eignet sich in besonderem Maße ein Polyacetal.

Die beiden Kupplungshälften sind vorteilhafterweise aus Metall hergestellt, sie können aber auch aus Kunststoffspritz­ teilen 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 spiel frei einsetzbar und durch Klemmverbindung gehal­ tert ist.

In den Schutzumfang der erfindungsgemäßen Kupplung ist selbst­ verständliche auch die kinetische Umkehr dieser Kupplungsart mit eingeschlossen. Das heißt, daß die Klauen statt an der Zwischenscheibe auch an den beiden Kupplungshälften ausge­ bildet sein können. In diesem Fall trägt die Zwischenscheibe zwei kreuzförmig zueinander angeordnete Nuten. Die Kupplungs­ scheibe 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.

Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene Darstellung der mit Kupplungs­ klauen versehenen zwischenscheibe im ausgebauten Zustand;

Fig. 2 die Kupplungsscheibe mit Klauen von Fig. i, wobei die gespreizten Klauen in die Nut einer Kupplungs­ hälfte eingesetzt sind und

Fig. 3 die Anordnung von Fig. 2, wobei Zwischenscheibe und Kupplungs­ hälfte zueinander winkelversetzt sind.

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 Kupplungs­ hälften ist in den Fig. 2 und 3 jeweils nur eine teilweise dargestellt. Diese Kupplungshälfte weist eine Paßbohrung 7 zur Aufnahme des Wellenendes auf.

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 Durchgangs­ bohrung 12 umschließen, die dazu dient, die nicht dargestellten Wellenenden bis in den Bereich der Zwischenscheibe 10 in die Kupplung einzusetzen.

Jedes der Klauenpaare 21, 22 bzw. 23 ist durch einen Keil­ schlitz 27 radial geteilt und elastisch gespreizt ausgebildet. Zwischenscheibe und Klauen bilden ein einstückiges Spritzguß­ teil aus POM-Kunststoff. Die Klauenpaare sind jeweils parallel zueinander ausgerichtet und liegen im wesentlichen senkrecht zum Klauenpaar auf der gegenüberliegenden Stirnfläche der Zwischenscheibe 10.

In der Kupplungshälfte 5 in Fig. 2 und 3 ist ein Nut 30 ausge­ bildet, in welche die Zwischenscheibe 10 mit ihrem Klauen­ paar 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 außenlie­ genden 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 über­ einstimmen mit den Kanten 28 und 29, die durch Anfasung der Klauenkanten 25 und 26 erzeugt sind.

Die durch das Klauenpaar 23 unterbrochene Stirnfläche 11, 11′ der Zwischenscheibe 10 ist dachförmig derart abgeschrägt, daß sie bei größtmöglicher Abknickung der Zwischenscheibe 10 an der Stirnfläche 6 oder 6′ der gegenüberliegenden Kupplungs­ hälfte 5 zum Anschlag kommt in Fig. 3 an der Stirnfläche 6.

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 Blockie­ rung der Zwischenscheibe 11 führt. Alternativ zu den Aus­ kehlungen 24, 24′ können die beiden Längskanten 31, 32′ am Ausgang der Nut der Kupplungshälfte 5 abgerundet oder ange­ fast ausgebildet sein.

Claims (7)

1. Kupplung mit Beweglichkeit der gekuppelten Wellen gegen­ einander, vor allem für radiale Versetzungen, bei der
die miteinander zu verbindenden Wellenenden jeweils dreh­ fest eine scheibenförmige Kupplungshälfte (5) tragen, die ihrerseits über eine Zwischenscheibe (10) drehfest mit­ einander verbunden sind,
an den Stirnseiten der Zwischenscheibe (10) radial ver­ laufend und axial vorstehend, radial geteilte elastisch gespreizte Klauen (21, 22, 23) ausgebildet sind, die je­ weils auf einer Stirnfläche der Zwischenscheibe (10) parallel zueinander und im wesentlichen senkrecht zu der oder den Klauen (21, 22, 23) auf der gegenüberliegenden Stirnfläche der Zwischenscheibe (10) verlaufen und unter Spannung in eine Nut (30) eingreifen, die in der jeweils zugeordneten Kupplungshälfte (5) ausgebildet ist,
die radial und axial außen liegenden, zur Klauenteilung parallelen Kanten (25, 26) der Klauen (21, 22, 23) ange­ fast oder abgerundet sind,
die lichte Breite der Nut (30) kleiner ist als die größte Breite der gespreizten Klaue im entspannten Zustand, und
bei der die Kontur der Nut (30) und das Profil der Klaue (21-23) so aufeinander abgestimmt sind, daß bei Eingriff der Klaue (21-23) in die Nut (30) der Berührungsbereich zwischen beiden Teilen zumindest im wesentlichen auf zwei Gleitlinien reduziert ist.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflächen (11) der Zwischenscheibe (10) dem freien Knickwinkel dieser Scheibe gegenüber der Nut (30) entsprechend parallel zur Klauenteilung dachförmig so ab­ geschrägt sind, daß sie bei größtmöglicher Abknickung der Zwischenscheibe (10) an der Stirnfläche (6) der jeweils gegenüberliegenden Kupplungshälfte (5) gerade zum An­ schlag kommen.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stirnflächen (11) der Zwischenscheibe (10) im Bereich der Klauenbasis parallel zur Klauenteilung verlaufende Auskehlungen (24, 24′) oder Ausnehmungen vorgesehen sind.

4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut (30) über angefaste oder abgerundete Längs­ kanten (31, 32) in die Stirnfläche der Kupplungshälfte (5) übergeht.

5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Klauenteilung als zur Klauenbasis gerichteter Keilschlitz (27) ausgebildet ist.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen die Zwischenscheibe (10) und die Klauen (21-23) im wesentlichen vollständig durchsetzende Axialbohrung (12), deren Durchmesser größer ist als der Außendurchmesser der Wellenenden, so daß bei in den Bereich der Klauen (21-23) und/oder der Zwischenscheibe (10) hinein­ ragenden Wellenenden die Knickbewegung der Zwischenschei­ be (10) nicht behindert ist.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenscheibe (10) und die Kupplungsklau­ en (21-23) einstückig als Spritzgußteil aus Kunststoff, vor allem aus einem Polyacetal (POM) ausgebildet sind.