DE3638596A1 - Sicherheits-schnelloesekupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine schnell lösbare Sicherheitskupplung zur Übertragung von Drehmomenten zwischen zwei gleichachsigen Maschinenteilen, z.B. Wellen, nach dem Oberbegriff des An­ spruches 1.

Eine Kupplung dieser Art ist bekannt aus der Druck­ schrift Voith-Sicherheitskupplung G 1094.

Die Übertragung des Drehmomentes kommt dadurch zustande, daß eine Spann-Nabe mittels einer Umfangsspannung auf ein paßgenau darin gefügtes Wellenteil Reibschluß erzeugt. Die Spann-Nabe weist dazu eine innenliegende zylindrische Kammer mit einem Kanal und einem Verschlußelement, vorzugsweise einen Verschluß­ stopfen, auf, so daß die Kammer mit Druckmedium unter hohen Druck gesetzt werden kann. Das Lösen der Reibschlußverbindung erfolgt durch Abbau des Innendruckes, entweder im Stillstand, wenn man die Kupplung schnell lösen will, oder beispielsweise durch Abscheren des Verschlußstopfens bei einer relativen Ver­ drehung zwischen Welle und Spann-Nabe nach Auftreten eines un­ zulässig hohen Drehmomentes.

Beim gewaltsamen Lösen der Reibschlußverbindung bei Überlastung kann es je nach Einsatzfall passieren, daß die Spann-Nabe ohne Spannung längere Zeit auf der Wellenoberfläche gleitet. Dadurch kann es zum Fressen der beiden Teile kommen, so daß diese sich nicht mehr lösen lassen, zumindest aber werden die Oberflächen beschädigt oder verschlissen. Ein erneutes Zusammenfügen kann dadurch behindert oder unmöglich sein, und eine Reparatur kann den Arbeitsablauf der betreffenden Maschine empfindlich stören.

Es wurde versucht, diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, daß zwischen der Spann-Nabe und der Welle eine zusätzliche Hülse ("Friktionshülse") angeordnet wird, auf der die Spann-Nabe mit­ tels Wälzlagern gelagert ist. Dabei steht die Hülse mit der Welle über eine Paßfeder in formschlüssiger Verbindung. Dadurch ist es aber notwendig geworden, das Wellenteil mit einer Paß­ federnut zu versehen und die beiden Teile bei der Montage zum Ineinanderfügen in die exakte Drehwinkellage zu bringen. Han­ dert es sich bei den zu fügenden Teilen um sehr schwere Bau­ teile, z.B. den Antrieb von Walzen eines Walzwerkes, so ist das Drehen zur Erzielung der exakten Drehlage zum Einfügen der Kupplung außerordentlich aufwendig. Ferner besteht für form­ schlüssige Elemente am Umfang des Wellenzapfens, wie etwa Paß­ federn oder Keilwellenverzahnungen, die Gefahr der Beschädigung beim Transport und der Montage der Walzen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kupplung der eingangs er­ wähnten Art zu schaffen, bei der angestrebt werden soll, daß das Wellenende glatt ausgeführt ist, und daß dennoch eine form­ schlüssige Verbindung vorhanden ist, die mit geringerem Zeit­ aufwand als bisher gelöst und wieder zusammengefügt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden gemäß der Erfindung zwei Lö­ sungswege vorgeschlagen. Gemäß dem Kennzeichen des Anspruches 1 ist an der Stirnseite des Wellenendes ein Mitnehmer mit einer Verzahnung vorgesehen, die in eine entsprechende Verzahnung an der Innenseite der Friktionshülse eingreift, bevor der Wellen­ stummel mit voller Länge in die Friktionshülse eingeführt ist. Die Verzahnung ist gemäß Anspruch 2 mit Zähnen ausgeführt, die ein axiales Verschieben der Teile ermöglicht. Ferner ist der Außendurchmesser der Verzahnung gemäß den Ansprüchen 3 und 4 so ausgeführt, daß die Vorderkante der Zähne am Mitnehmer inner­ halb eines gedachten Kegelmantels liegen, der durch die Vorder­ kanten des Wellenendes und des Mitnehmers gebildet ist. Wird außerdem die Friktionshülse gemäß Anspruch 8 an ihrem der In­ nenseite der Kupplung abgewandten offenen Ende kegelig erwei­ tert ausgeführt, so kann die Welle in die Kupplung auch dann eingeführt werden, wenn diese nicht genau fluchten. Dies ist der Fall, wenn die Kupplung z.B. mit der freien Gelenkhälfte einer Gelenkwelle verbunden ist. Eine Beschädigung der Verzah­ nung wird dadurch vermieden. Die einander zugewandten Stirnsei­ ten der Zähne am Mitnehmer und an der Friktionshülse können nach Anspruch 5 in Längsrichtung zugespitzt sein. Dadurch ist ein leichtes Einfädeln der verzahnten Teile in jeder Drehlage der Welle möglich, und die zweite Welle selbst kann ganz glatt ausgeführt werden.

Der zweite Lösungsweg für die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nach Anspruch 6 darin, daß mindestens eine der zylindrischen Berührflächen auf der Innenseite der Friktions­ hülse oder auf der zweiten Welle mit einer aus feinkörnigem harten Material bestehenden Beschichtung versehen ist. Dies kann vorzugsweise eine im Detonationsverfahren aufgebrachte Schicht aus Wolframkarbid sein. Wird nach dem Einschieben der Welle in die Friktionshülse die Kupplung in bekannter Weise durch Druckaufgabe unter Spannung gesetzt, so entsteht eine zur Übertragung von hohen Schubkräften geeignete Verbindung da­ durch, daß die harten Partikel der Beschichtung in die andere Oberfläche eindringen und einen formschlußähnlichen Kontakt herstellen. Dazu wird zwischen Welle und Friktionshülse ein Ringspalt vorgesehen, dessen lichte Weite im entspannten Zu­ stand der Spann-Nabe zwischen 0,5 und 1 Promille des Wellen­ durchmessers beträgt, ferner wird die lichte Weite des Ring­ spalts zwischen Friktionshülse und Spann-Nabe mit maximal 1 Promille des Durchmessers ausgeführt. Dadurch wird folgendes erreicht:

Bei Druckaufgabe auf die Kammer innerhalb der Spann-Nabe ent­ steht eine reibschlüssige Verbindung zwischen der Spann-Nabe und der Friktionshülse. Gleichzeitig wird unter dieser Spannung auch die Friktionshülse zusammengedrückt, so daß der form­ schlußähnliche Kontakt zwischen Welle und Friktionshülse ent­ steht. Obgleich der Kontakt zwischen der Friktionshülse und der zweiten Welle auf kleinerem Durchmesser erfolgt, liegt dort die höhere Übertragungsfähigkeit an den Oberflächen vor. Bei Ent­ lastung der Druckkammer erfolgt das Lösen der Drehmoment-Ver­ bindung zwischen Spann-Nabe und Friktionshülse, wobei eine re­ lative Drehung über die Lagerung erfolgen kann. Die Verbindung zwischen der zweiten Welle und Friktionshülse ist bei Entspan­ nung zwar auch gelöst, aber trotzdem ist infolge des Eigenge­ wichts der Kupplung und eventuell des anteiligen Gewichts einer daran angebauten Gelenkwelle, die Haftung der Friktionshülse auf der Welle größer als der Drehwiderstand in der besagten Lagerung. Die harten Partikel in der beschichteten Oberfläche dringen unter Spannung nur unter elastischer Verformung in die andere Oberfläche ein. Das Aufschieben der Spann-Nabe samt Friktionshülse auf die Welle ist somit beliebig oft und in je­ der Winkellage möglich.

Konstruktive Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen 7 und 9 angegeben. Bei Kupplungen, für sehr hohe Dreh­ momente ist es vorteilhaft, das Drehmoment nicht direkt in die Spann-Nabe einzuleiten, sondern eine separate Flanschhülse vor­ zusehen, die das Drehmoment z.B. von der Gelenkwelle auf die Friktionshülse überträgt und von der Spann-Nabe umschlossen ist. Der Bereich der Druckkammer innerhalb der Spann-Nabe bleibt somit frei von Schubkräften und der Drehmomentübertra­ gung. Die gemeinsame Lagerung von Flanschhülse und Spann-Nabe auf der Friktionshülse gewährleistet außerdem, daß die Kupplung als ganzes Bauteil besammen bleibt und kein gegenseitiges axia­ les Abwandern im entspannten Zustand eintritt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher er­ läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Kupplung mit Verzahnung;

Fig. 2 eine Kupplung gemäß Fig. 1 mit zusätzlicher Flanschhülse;

Fig. 3 eine Kupplung gemäß Fig. 2 mit beschichteter Oberfläche an der Welle.

Dargestellt ist in Fig. 1 im Längsschnitt eine Kupplung mit einer Spann-Nabe 1, die von einer ersten Welle 2 beispielsweise mit einer Gelenkgabel angetrieben ist. Die Spann-Nabe 1 weist eine innenliegende sehr schmale zylindrische Druckkammer 3 auf, zu der ein Kanal 4 führt und über ein Verschlußelement 5, wie bekannt, mit Druckmedium unter hohen Druck gesetzt werden kann. Koaxial innerhalb der Spann-Nabe 1 ist über Wälzlager 20 dreh­ bar eine Friktionshülse 6 angeordnet, die über die Flächenpaa­ rung 7 durch Reibschluß das Drehmoment übernimmt und an eine in der Friktionshülse 6 angeordnete zweite Welle 8 weiterleitet. Die Friktionshülse 6 und die Welle 8 stehen über die Flächen­ paarung 9 in Kontakt, und die von der Spann-Nabe 1 erzeugte Spannung pflanzt sich auf diese Flächenpaarung fort, so daß eine spielfreie Zentrierung der Kupplung auf der zweiten Welle 8 zustandekommt. Das Drehmoment wird formschlüssig übertragen, nämlich über einen stirnseitig an der zweiten Welle 8 befestig­ ten Mitnehmer 10 mit einer Verzahnung 11, die in eine gleichar­ tige in der Friktionshülse eingreift. Anstelle der dargestell­ ten Verzahnung am Umfang des Mitnehmers ist auch eine Stirnver­ zahnung möglich, die nach Überwindung einer bestimmten Ein­ schubtiefe in die Friktionshülse 6 zum Eingriff kommt. Der Mit­ nehmer 10 ist in der dargestellten Ausführungsform mittels Bol­ zen 12 und einer zentralen Schraube 13 an der zweiten Welle 8 befestigt.

Der Durchmesser der Verzahnung ist so gewählt, daß die vor­ derste Zahnkante innerhalb des Mantels eines gedachten Kegels 14 liegt, der durch die Stirnkanten 15, 16 der zweiten Welle 8 und des Mitnehmers 10 gebildet ist. Dadurch ist es möglich, die zweite Welle 8 in die Friktionshülse 6 auch dann sicher einzu­ führen, wenn die Kupplung bei abgeknicktem Gelenk 2 bei der Montage nicht mit der zweiten Welle 8 fluchtet, ohne die Ver­ zahnung 11 zu beschädigen. Dies gelingt insbesondere dann, wenn die Friktionshülse 6 an ihrem offenen Ende mit einer kegeligen Erweiterung versehen ist, die etwa dem Kegel 14 entspricht.

Die Friktionshülse trägt einen Flansch 18 mit einem Abscherring 19, der das Verschlußelement 5 umschließt. Kommt es zu einer Überlastung der Kupplung, so wird der Reibschluß in der Flä­ chenpaarung 7 überwunden und es tritt eine Relativdrehung zwi­ schen der Spann-Nabe 1 und der Friktionshülse 6 ein, die zum Abscheren des abbrechbaren Endes des Verschlußelementes 5 und zu sofortigem Spannungsabbau in der Spann-Nabe führt. Dadurch wird der Kontakt in der Flächenpaarung 7 aufgehoben, und die Spann-Nabe dreht sich mittels der Lager 20 auf der Friktions­ hülse 6. In dem Spalt zwischen der Spann-Nabe 1 und der Frik­ tionshülse 6 befindet sich Schmiermittel, das sich, wie be­ kannt, auch in Taschen an der inneren Oberfläche der Friktions­ hülse 6 stauen kann. Dichtungen 21 verhindern den Verlust die­ ses Schmiermittels.

In Fig. 2 ist eine Weiterbildung der in Fig. 1 beschriebenen Kupplung dargestellt. Die Spann-Nabe 1 besteht in der Regel aus zwei Teilen, die miteinander verschweißt sind und die Druckkam­ mer 3 einschließen. Diese Druckkammer wird unter Druck radial erweitert, und das Drehmoment wird über die die Druckkammer 3 begrenzenden Schweißnähte geleitet. Für die Übertragung sehr hoher Drehmomente wird zur Entlastung der Schweißnähte eine separate Flanschhülse 22 zwischen der Spann-Nabe 1 und der Friktionshülse 6 angeordnet. Die Flanschhülse 22 ist mit der ersten Welle 2 beispielsweise unter Zwischenschaltung einer Stirnverzahnung 23 verbunden und wird von der Spann-Nabe 1 über die Flächenpaarung 24 umschlossen. Die Spann-Nabe 1 hat dadurch nur Tagentialkräfte auf die innenliegenden Hülsen 22 und 6 zu übertragen, so daß die Schweißnähte nicht auf Schub beansprucht werden.

Kommt es, wie beschrieben, zu einer Überlastung der Kupplung und Entlastung der Spann-Nabe, so verbleibt die Spann-Nabe 1 über die Flächen 24 auf der Flanschhülse, während sich die Flanschhülse 22 an der Flächenpaarung 7 von der Friktionshülse 6 abhebt. Die Flanschhülse 22 ist wie die Spann-Nabe 1 über Lager 20 mit Dichtungen 21 auf der Friktionshülse 6 drehbar befestigt. Die formschlüssige Übertragung des Drehmomentes zur zweiten Welle 8 erfolgt wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 über eine Verzahnung 11, wobei deren zylindrische Oberfläche völlig glatt und von Gleitvorgängen auch bei Überlastung be­ freit ist.

Die in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform zeigt einen anderen Lösungsweg für die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe. Während, ausgehend von einer Kupplung gemäß der Fig. 2, die Drehmomenteinleitung von der ersten Welle 2 über eine Flansch­ hülse 22 durch Reibschluß unter der Spannung der Spann-Nabe 1 auf die Friktionshülse 6 erfolgt, ist die Friktionshülse 6 mit der zweiten Welle 8 nur über eine Flächenpaarung 25 verbunden. Diese ist so gewählt, daß mindestens eine Fläche, also die äußere Oberfläche der zweiten Welle 8 oder die innere Ober­ fläche der Friktionshülse 6 mit einer Beschichtung aus harten feinkörnigen Partikeln versehen ist, die vorzugsweise im Deto­ nationsverfahren aufgebracht ist. Ferner ist im entspannten Zustand der Spalt in der Flächenpaarung 25 vorzugsweise im Be­ reich zwischen 0,5 bis 1,0 Promille des Durchmessers, der Spalt in der Flächenpaarung 7 mit maximal 1,0 Promille des betreffen­ den Durchmessers bemessen. Die Friktionshülse 6 ist dazu mög­ lichst dünn ausgeführt, um die Spannungen der Spann-Nabe 1 wei­ terleiten zu können. Dadurch ist sichergestellt, daß sich die zweite Welle im entspannten Zustand leicht in die Friktionshül­ se 6 einschieben und die Flanschhülse 22 mit der Spann-Nabe 1 sich auf der Friktionshülse frei drehen kann. Dennoch aber ist bei Druckaufgabe in der Spann-Nabe ein ausreichender Reibschluß vorhanden sowie eine ausreichende Spannung auf die Flächenpaa­ rung 25, um dort eine formschlußähnliche Verbindung zu erzie­ len. Die harten Partikel dringen in die Gegenfläche so weit ein, daß trotz geringerer Spannkraft ein höheres Drehmoment übertragen wird als in der Flächenpaarung 7, in der nur Reib­ schluß auf glatten Flächen besteht.

Bei einer Überlastung der Kupplung kommt es daher zunächst zu einer Relativdrehung zwischen der Friktionshülse 6 und der Flanschhülse 22 an der Flächenpaarung 7, weil die Übertragungs­ fähigkeit in der Flächenpaarung 25 höher ist. Bei einer Drehung der Flanschhülse 22 mit Spann-Nabe 1 in den Lagern 20 ist die Haftung in der Flächenpaarung 25 aufgrund des Eigengewichts der Kupplung und eventuell damit verbundener Gelenkwellenteile viel höher als der Widerstand in den Lagern 20. Die Flächenpaarung 25 und somit die Oberfläche der zweiten Welle 8 bleibt demnach frei von Gleitvorgängen. Die Eindringtiefe der harten Beschich­ tungspartikel in die Oberfläche ist so gering, daß nur elasti­ sche Verformungen auftreten. Die zweite Welle 8 kann daher be­ liebig oft und in jeder beliebigen Drehlage auf- und abmontiert werden.

Claims (10)

1. Schnell lösbare Sicherheitskupplung zur Übertragung hoher Drehmomente zwischen zwei gleichachsigen Maschinenteilen, insbesondere zweier Wellen, mit den folgenden Merkmalen:

• a) Mit der ersten Welle ist eine Spann-Nabe verbunden, in der eine zylindrische Kammer angeordnet ist, welche über einen daran anschließenden Kanal und ein Ver­ schlußelement mit einem unter Druck stehenden Medium füllbar ist;
• b) mit der zweiten Welle ist eine Löseeinrichtung verbun­ den, die bei einer Relativbewegung zwischen der Spann-Nabe und der zweiten Welle das Verschlußelement löst;
• c) zwischen der Spann-Nabe und der zweiten Welle ist eine Friktionshülse angeordnet, die mit ihrer äußeren Man­ telfläche an der Innenseite der Spann-Nabe anliegt;
• d) die Friktionshülse und die zweite Welle stehen axial verschiebbar miteinander in formschlüssiger Verbindung;
• e) die Spann-Nabe ist auf der Friktionshülse drehbar ge­ lagert,

dadurch gekennzeichnet, daß

• f) zur Erzielung des Formschlusses an der Stirnseite der zweiten Welle (8) ein Mitnehmer (10) befestigt ist, der über eine Verzahnung (11) mit der Friktionshülse (6) in Eingriff steht.

2. Sicherheitskupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verzahnung (11) Zähne mit Flanken aufweist, die zur Kupplungsachse parallel sind.

3. Sicherheitskupplung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Außendurchmesser der Verzahnung (11) kleiner ist als der Durchmesser der zweiten Welle (8).

4. Sicherheitskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser und die Länge der Ver­ zahnung (11) so gewählt sind, daß die Mitnehmerzähne inner­ halb eines gedachten Kegelmantels (14) liegen, der defi­ niert ist durch die von den Mantelflächen und Stirnseiten der zweiten Welle (8) und des Mitnehmers (10) gebildeten Kanten (15, 16).

5. Sicherheitskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zähne der Verzahnung (11) an deren Enden in Längsrichtung der Kupplung zugespitzt sind.

6. Sicherheitskupplung nach dem Qberbegriff des Anspruchs 1, gekennzeichnet durch die folgenden weiteren Merkmale:

• f) mindestens eine der zylindrischen, einander berühren­ den Flächen der Friktionshülse (6) und der zweiten Welle (8) ist mit einer reibwerterhöhenden Beschich­ tung versehen, die aus feinkörnigem Material, vorzugs­ weise einer Detonationsbeschichtung aus Wolframkarbid, besteht;
• g) die lichte Weite des Ringspaltes zwischen der zweiten Welle (8) und der Friktionshülse (6) beträgt im ent­ spannten Zustand der Spann-Nabe zwischen 0,5 und 1,0 Promille des Durchmessers der zweiten Welle (8);
• h) die lichte Weite des Ringspaltes zwischen der Frik­ tionshülse (6) und der Nabe (1) beträgt im entspannten Zustand der Spann-Nabe (1) maximal ein Promille des Außendurchmessers der Mantelfläche der Friktionshülse (6).

7. Sicherheitskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zwischen der inneren Mantel­ fläche der Spann-Nabe (1) und der äußeren Mantelfläche der Friktionshülse (6) eine Flanschhülse (22) angeordnet und zusammen mit der Spann-Nabe (1) auf der Friktionshülse (6) drehbar gelagert ist sowie mit der ersten Welle (2) in Drehverbindung steht.

8. Sicherheitskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Friktionshülse (6) an ihrem der Innenseite der Kupplung abgewandten offenen Ende (17) kege­ lig erweitert ist.

9. Sicherheitskupplung nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Löseeinrichtung für das Verschluß­ element (5) der unter Druck stehenden Kammer (3) als Ab­ scherring (19) ausgebildet ist, der auf der Friktionshülse (6) befestigt ist.