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Elastische Wellenkupplung Die vorliegende Erfindung betrifft eine
elastische,- auch kardanisch beweglich ausführbare Kupplung mit axialem, im Ruhezustand
der Kupplung spannungslosem oder vorgespanntem Federkörper, der durch zwei wellenzentrische,
mit der einen Kupplungshälfte gegenläufig verschraubbare, aber undrehbare Druckringe
belastet wird, wobei die Federkörper von zwei oder mehreren aus hintereinandergeschalteten
Einzelfedern gleicher Stärken bestehenden Federgruppen mit in Richtung der Belastung
zunehmender Tragfähigkeit gebildet werden können, die bei steigendem Drehmoment
abgeschaltet werden.
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Elastische Kupplungen mit axialer Feder, die durch Schraubgewinde,
Schrägverzahnung oder Schrägklauen drehmomentabhängig belastet wird, sind an sich
bekannt, doch haften diesen Kupplungen erhebliche Mängel an.
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Kupplungen mit z. B. Schraubgewinde,..also mit Kraftübertragung durch
Gewindereibung, erfordern große Federdrücke, wodurch sich hohe Flächenpressungen
und damit die Gefahren eines Fressens im Gewinde und eines Versagens der Kupplungen
ergeben. Infolge der beträchtlichen Federbelastungen sind diese Bauarten für größere
Leistungsübertragungen ungeeignet.
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Kupplungen mit Schrägverzahnung sind in der Weise bekanntgeworden,
daß sie den durch die Einfachschrägverzahnung einer Kupplungshälfte erzeugten Axialschub
über ein längs verschiebbares, durch Geradverzahnung mit der anderen Kupplungshälfte
verbundenes Gehäuse auf eine Axialfeder übertragen.
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Kupplungen mit Schrägklauen übertragen die Umfangskraft elastisch
in der Weise, daß mit der einen Hälfte fest verbundene Schrägklauen die mit der
anderen Hälfte undrehbar verbundenen, durch Axialfedern belasteten Klauenkörper
axial verschieben. Infolge der geringen Federdrücke eignen sich Schrägverzahnungs-
und Schrägl~lauenkupplungen
zwar für größere Leistungen, doch ergeben
sich dieselben Nachteile wie bei Schraubgewindekupplungen. 41 Sämtliche bisher bekanntgewordenen
Kupplungen mit Axialfedern sind nur im Beharrungszustand axialdruckfrei, während
bei Drehmomentänderungen durch die unter Belastung zu verschiebenden Kupplungsteile,
wie Gehäuse, Spindelmuttern, Zwischenräder, Klauenkörper usw., wechselnd hohe Axialdrücke
auftreten, die von normalen Wellenlagern nicht aufgenommen- werden können. Infolge
ihres zum Drehmoment proportionalen Verdrehungswinkels sind sie außerdem nicht schwingungsdämpfend
und erfüllen auch die vielfach zu stellende Forderung einer zusätzlichen Stoßdämpfung
durch Energievernichtung innerhalb des Federsystems nicht. Sie sind ferner zum Teil
für wechselnde Dreh-und Kraftrichtung ungeeignet bzw. erst durch ungünstige konstruktive
Maßnahmen dafür verwendbar.
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Vorliegende Erfindung hat den Zweck, diese Nachteile zu vermeiden.
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Gemäß der Erfindung wird die elastische axialdruckfreie Kraftübertragung
mit geringer Federkraft dadurch hervorgerufen, daß zwei wellenzentrische 'Druckringe
mit der einen Kupplungshälfte durch z. B. Doppelschrägverzahnung gegenläufig verschraubbar
und mit der anderen Kupplungshälfte über eine Glocke durch z. B. Geradverzahnung
gegenläufig längs verschiebbar und undrehbar verbunden sind, so daß bei Drehmomentübertragung
die Druckringe auf der einen Kupplungshälfte gegeneinander verschraubt und z,i der
anderen Kupplungshälfte gegeneinander verschoben werden. Infolge der hierdurch hervorgerufenen
Belastung des zwischen den Druckringen angeordneten Federkörpers werden die Hälften
elastisch gegeneinander verdreht und die an den Druckringen auftretenden gleich
großen und gegeneinander gerichteten Reibungskräfte gegenseitig aufgehoben. Da jeder
der beiden Druckringe nur mit der halben Umfangskraft belastet ist. wird die Federspanung
auf die Hälfte des sich bei den bekannten Kupplungen mit Axialfederkörper ergebenden
Wertes herabgesetzt. Außerdem ist der elastische Verdrehungswinkel der Kupplung
durch den Winkel der Doppelschrägverzahnung und die Längenänderung des Federkörpers
in weiten Grenzen änderbar.
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Zur Erzielung einer schwingungsdämpfenden Kraftübertragung, die bekanntlich
durch eine dem Drehmoment unproportionale Form der Federlinie gekennzeichnet wird,
sind, wenn diese durch den Federkörper selbst erreicht werden soll, Blattfederwerke
vorgeschlagen worden, die aus stufenweise in Richtung der Belastung zunehmenden
und durch Zwischenlagen voneinander getrennten Einzelblattfederstärken bestehen.
Diese an beiden Enden lose aufliegenden oder eingespannten Federkörper «-erden durch
die andere Kupplungshälfte in geeigneter Weise auf Biegung beansprucht. Bei geringem
Drehmoment werden nur die schwächsten Federn belastet und nach Überschreiten der
durch die Zwischenlagen bestimmten Durchbiegung die nächst #stärkeren Blattfedern
zugeschaltet, so daß schließlich bei höchstem Drehmoment sämtliche Blattfedern an
der Belastung teilnehmen. Dies hat jedoch den Nachteil, daß bei höheren Drehmomenten
die schwächeren Federn sehr hoch beansprucht werden müssen, wobei trotz dieser hohen
Beanspruchung nur eine verhältnismäßig geringe Durchfederung und damit eine nur
geringe Elastizität.der Kupplung erzielbar ist. Die Anwendung derartiger Federsysteme
auf Kupplungen mit Axialfederkörper erfordert eine große Anzahl von parallel arbeitenden
Blattfederwerken und damit ein großes Federvolumen und eine große Kupplungsbauart.
Die Blatfederwerke müssen in ihren Stärken und Zwischenlagen in der richtigen Reihenfolge
eingebaut werden, da bei Verwechselungen eine fehlerhafte Federlinie entsteht. Bei
einer nachträglichen Veränderung der Kupplungscharakteristik sind aus sämtlichen
parallel arbeitenden Federwerken die entsprechenden Einzelfedern und Zwischenlagen
zu entfernen; was umständlich und zeitraubend ist. Erfindungsgemäß wird eine dem
Drehinoment unproportionale Form der Federlinie durch einen zylindrischen Federkörper
erreicht, der aus zwei oder mehreren Federgruppen mit in Richtung der Belastung
stufenweise zunehmenden Stärken besteht. von denen jede Gruppe wieder aus mehreren
liintereinandergeschalteten Einzelfedern gleicher Stärke gebildet werden kann, wobei
die Abschaltung der Federgruppen bei steigendem Drehmoment in Reihenfolge der Federstärken
durch lose Distanzringe oder durch die Federelemente selbst erfolgt.
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Bei geringem Drehmoment sind also sämtliche Einzelfedern belastet.
Mit steigendem Drehmoment wird die schwächste Federgruppe durch Federbegrenzung
abgeschaltet usw., so daß schließlich bei höchstem Drehmoment nur noch die stärkste
Federgruppe an der Belastung teilhat. Die abgeschalteten Federgruppen wirken hierbei
als verschiebbare Distanzringe.
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Durch diese drehmomentabhängige Abschaltung ist eine Überbeanspruchung
der schwächeren Federn vollkommen ausgeschlgssen, so daß Federbrüche nicht vorkommen
können. Außerdem wird durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Einzelfedern gleicher
Stärke
eine Summierung der einzelnen Federungsbeträge erzielt, so daß eine Kupplung mit
großer Elastizität entsteht.
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Als besonders geeignete Federelemente wurden konische Tellerfedern
und geschlossene Ringfedern- mit trapezförmigem Querschnitt,' sogenannte Uerdinger
Ringfedern, bzw. Kombinationen dieser beiden . Federelemente erkannt. Die Federungsbegrenzung
erfolgt bei Tellerfedern durch lose, zwischen den paarweise gegeneinandergeneigten
Federn angeordnete Distanzringe und bei den Uerdinger Ringfedern durch die Federn
selbst, indem die Elemente sich bis zum--Aufliegen an den Stirnseiten ineinanderschieben.
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Tellerfedern und insbesondere Uerdinger Ringfedern mit ihren reinen
Zug- und Druckbeanspruchungen sind zur Aufnahme beträchtlicher Kräfte - bei einem
gegenüber Verdreh- und Biegungsfedern um das Mehrfache geringeren Fiedervolumen
-geeignet. Dadurch entfällt auch bei größeren Kupplungen die Notwendigkeit, mehrere
parallel arbeitende, auf den Kupplungsumfang gleichmäßig verteilte Federn vorzusehen.
Der Federkörper kann wellenzentrisch angeordnet werden, wodurch sich eine überaus
kleine Kupplungsbauart mit geringem Schwungmoment ergibt. Außerdem besteht die Möglichkeit
einer einfachen Anpassung an besondere Betriebsverhältnisse zur Erzielung einer
hinsichtlich des Drehmoments, Form der Federlinie und Größe des Federwinkels änderbaren
Kupplungscharakteristik dadurch, daß jeweils nur einfach vorkommende Einzelfedern
bzw. Federgruppen ausgetauscht zu werden brauchen und nicht eine auf den Umfang
verteilte größere Anzahl von Federn: Die Anordnung der einzelnen Federgruppen im
Federkörper ist dabei im Gegensatz zu Blattfederwerken gleichgültig, da in jedem
Fall die drehmomentabhängige Abschaltung richtig erfolgt. Durch den Fortfall von
Distanzringen vereinfacht sich der Einbau und die Auswechselung bei Uerdinger Ringfedern
besonders.
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In-manchen Fällen ist die Kraftübertragung mit verringertem Kupplungsausschlag
bei Leerlauf und niedriger Belastung zweckmäßig. Bei normalen, vom Nullpunkt ausgehenden
Federungslinien ergeben sich hierbei infolge der ungünstigen Ungleichförmigkeitsgrade
stoßweise arbeitender Kraft- und Arbeitsmaschinen unerwünscht hohe Kupplungsausschläge.
Eine erhebliche Verminderung dieser pendelungsartigen. Verdrehungen der Kupplungshälften
wird erfindungsgemäß durch eine mittels fester Anschläge oder einstellbarer Gewindemüttern
erzielbare Verspannung der Federkörper Herreicht, deren ,einzelne vorgenannte Federelemente
an sich bekannt sind. Neu jedoch ist ihre Anwendung lind besondere vorbeschriebene
Ausbildung für die Zwecke einer beliebig formbaren, schwingungs- und stoßdämpfenden
Charakteristik mit Vorspannungsmöglich'keit bei drehelastischen Kupplungen.
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Um die vorbeschriebene Kupplungsbauart auch für wechselnde Dreh- und
Kraftrichtung verwenden zu können, was zunächst, da bei Umkehrung der Drehrichtung
das Federsystem unbelastet bleibt, unmöglich ist, werden erfindungsgemäß die Druckringe
mit einseitigen büchsenartigen Verlängerungen versehen, an deren äußeren Enden Gewindemuttern,
Feder- oder Stellringe u. dgl. angebracht sind, welche den Federkörper jeweils auch
von der anderen Seite begrenzen. Der so allseitig von- den Druckringen umschlossene
Federkörper wird hierdurch bei jedem Drehund' Kraftrichtungssinn belastet, und demgemäß
werden die Kupplungshälften elastisch verdreht. ' Zur Ausbildung als kardanisch
bewegliche Kupplung zwecks Aufnahme von Parallel-und Winkelverlagerungen werden
erfindungsgemäß die beiden Druckringe mit der einen Kupplungshälfte gegenläufig
verschraubbar und über die allseitig schwingbar ausgebildete Glocke, in der die
Druckringe gegenläufig verschiebbar und undrehbar sind, durch z. B. Geradverzahnung
mit der anderen Kupplungshälfte verbunden, wobei eine Vorbeanspruchung der Federkörper
durch die Verlagerungen nicht erfolgt.
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Auf der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen Abb. i eine einseitig wirkende Kupplung mit Tellerfedern, Abb. a eine
gleiche Kupplung mit Uerdinger Ringfedern, a Abb. i a und 2 a die zugehörigen Schaubilder
-über die Wirkungsweise dieser Kupplungen, Abb. 3 eine doppelseitig wirkende Kupplung
in kardanisch beweglicher Ausführung mit z. B. vorgespannten Ringfedern und Abb.
3 a das zugehörige Schaubild über die Wirkungsweise dieser Kupplung.
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In den Abb. i und z treibe 'die Kupplungshälfte i in der eingezeichneten
Drehrichtung. In der mit i fest verbundenen übergreifenden Glocke 2 sind z. B. durch
Geradv erzahnung 3 die beiden Druckringe q. längs verschiebbar, aber undrehbar angeordnet,
die z. B. durch Doppelschrägverzahnung 5 auf der anderen Kupplungshälfte 6 gegenläufig
verschraubbar sind. Zwischen den beiden Druckringen d. befinden sich die in diesem
Fall zur Erzielung eines besonders kleinen Kupplungsdurchmessers konzentrisch zur
Wellenachse liegenden Federkörper 7, die
in Abb. i beispielsweise
dreierlei verschieden starke Tellerfedern a, b und c sowie in Abb. 2 z. B.
viererlei verschieden starke Ringfedern a, b, c .und d aufweisen.
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Bei Drehmomentübertragung belasten die Druckringe .4 die Federkörper
7 mit einer der Umfangskraft proportionalen Komponente, indem sie sich auf der Kupplungshälfte
6 gegenläufig nach innen verschrauben und in der mit der anderen Kupplungshälfte
i verbundenen Glocke 2 dadurch gegenläufig nach innen verschieben. Die beiden Kupplungshälften
i und 6 werden also elastisch gegeneinander verdreht.
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Mit der Drehrichtungsumkehr der treibenden Kupplungshälfte i ändern
-auch die Umfangskraftkomponenten ihre Richtung, die Druckringe 4. bewegen sich
bis zu den Anschlägen 8 nach außen, so daß der Federkörper unbelastet und die Kraftübertragung
starr ist.
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Die Federkörper 7 können auch gleichmäßig auf den Umfang verteilt
werden. Es ist ferner zu erkennen, daß die Wirkungsweise dieselbe bleibt, wenn die
Geradverzahnung auf der Kupplungshälfte 6 und die Doppelschrägverzahnung in der
Glocke 2 vorgesehen ist.
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In den Abb i a und z a ist die mehrmalige Abknickung der Federlinie
und somit der unproportionale Verlauf des Verdrehungswinkels zum Drehmoment je nach
Anzahl und Wirkungsbereich der Einzelfedern zu ersehen. Bei der Verwendung von Tellerfedern
nach den Abb. i und i a wird die selbsttätige Abschaltung der verschiedenen Einzelfederpaare
a, b und c durch lose Federbegrenzungsringe 9 erzielt. Es ergeben sich zwei Knickpunkte
der Federlinie. Bei der Verwendung von Ringfedern nach Abb. 2 und 2 a wird die Federungsbegrenzung
durch entsprechende Bemessung der- Federungswege der Einzelfedern der Federgruppen
a, b, c und d erreicht. Die keilförmigen Flächen der geschlossenen Ringfedern schieben
sich unter Dehnung der Außenringe und Stauchung der Innenringe bis zum Anliegen
der Stirnseiten der Ringe ineinander und werden dadurch selbsttätig von der weiteren
Federung abgeschaltet. Es ergeben sich drei Knickpunke der Federlinie.
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Nach Abb. 4 sind in der mit der Kupplungsnabe i durch z. B. Geradverzahnung
3 verbundenen, durch Deckel 12 und 13 abgestützten und allseitig schwingbar angeordneten
Glocke 2 auch die Druckringe q. längs verschiebbar, aber undrehbar und durch z.
B. Doppelschrägverzahnung auf der anderen Kupplungsnabe 6 gegenläufig verschraubbar
angeordnet. Die Druckringe q. sind mit einseitigen büchsenartigen Verlängerungen
8 versehen, die mittels Gewinde an den Druckringen 4. befestigt sind oder auch aus
einem Stück bestehen können, so daß an deren einem Ende beispielsweise durch Federringe
9 und am anderen Ende durch besondere Schultern io über Federanschlußscheiben ii
der hier z. B. aus gleichen Einzelfedern bestehende Federkörper 7 in seiner Länge
beiderseits begrenzt und allseitig umschlossen ist.
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Treibt die Kupplungsnabe i in der eingezeichneten Drehrichtung, so
wird die Umfangskraft über die Verzahnung 3 und die Glocke :2 auf die Druckringe
.4 übertragen, die sich gegenläufig nach innen bewegen und mit Hilfe der Schultern
io den Federkörper 7 -zusammendrücken. Treibt die Kupplungsnabe i dagegen in entgegengesetzter
Drehrichtung, so bewegen sich die Druckringe q. nach außen. Dadurch werden die Federringe
9 wirksam, die über die Federabschlußscheiben i i wiederum eine Zusammendrückung
des Federkörpers 7 bewirken.
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Werden die Federringe 9, an deren Stelle auch Gewindemuttern treten
können, auf den büchsenartigen Verlängerungen 8 der Druckringe q. so angeordnet,
daß dem Federkörper 7 bereits eine gewisse Vorspannung erteilt wird, so ergibt sich
das in Abb. 3 a in diesem Falle nur beispielsweise dem Drehmoment proportionale
Federdiagramm. Bei geringeren als der Federvorspannung entsprechenden Drehmomenten
schlägt die Kupplung nicht aus; bei niedrigen Drehmomenten wird der Kupplungsverdrehungswinkel
vermindert, was bei Antrieben durch Verbrennungskraftmaschinen sowie Schiffs- und
Luftschraubenantrieben erwünscht ist.
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Die Abb. i a bis 3 a zeigen in anschaulicher Weise die verschiedenartigen
Möglichkeiten in der Ausbildung der Kupplungscharakteristik, wie sie durch die oben
beschriebene Erfindung lediglich durch Änderung der Federkörper ohne Veränderung
sonstiger Kupplungsteile ermöglicht werden. Die schraffierten Diagrammflächen sind
ein Maß für die Größe der gesamten stoßdämpfenden Wirkung. Auch die Federlinien
nach Abb. i a und 2 a können mit Vorspannung versehen werden.