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Zahnkupplung mit einem Tastzahn Die Erfindung bezieht sich auf eine
Zahnkupplung mit zwei axial ineinander einrückbaren Kränzen von Kupplungszähnen,
deren Stirnseiten in Umfangsrichtung beidseitig abgeschrägt sind, wobei an einem
der beiden Zahnkränze ein Zahn durch einen axial vorstehenden, gegen Federdruck
zurückschiebbaren Tastzahn ersetzt ist.
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Bei einer solchen Zahnkupplung mit einem Tastzahn zum Ertasten der
gegenüberliegenden Zahnlücken dürfen beim Einrücken nicht der Tastzahn mit seiner
Dachkante genau auf die Dachkante eines gegenüberliegenden Zahnes und zugleich auch
die Dachkanten der übrigen Zähne des einen Zahnkranzes genau auf die Dachkanten
der Zähne des anderen Zahnkranzes treffen.
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Bei einer bekannten Kupplung ist diese Bedingung dadurch erfüllt,
daß der Tastzahn schräg zur Zahnrichtung ausweicht, wenn er zurückgeschoben wird.
Dabei ergibt sich aber, daß im Grenzfall die Verdrehung des einen Zahnkranzes gegenüber
dem anderen zum Herbeiführen einer Zahn-auf-Lücke-Stellung mehr als eine halbe Zahnteilung
beträgt. Insbesondere bei Maschinen mit großen Massen, beispielsweise beim Kuppeln
einer Speicherpumpe mit einem Turbogenerator, soll die erforderliche Relativdrehung
möglichst klein bleiben.
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Die Erfindung bezweckt, eine Zahnkupplung mit Tastzahn in dieser Hinsicht
zu verbessern. Bei einer Zahnkupplung der eingangs beschriebenen Art wird dies durch
die gemeinsame Anwendung der folgenden drei Merkmale erreicht: a) Der Tastzahn ist
in Richtung der Kupplungszähne verschieblich; b) an dem den Tastzahn aufweisenden
Zahnkranz steht die Kante der schrägen Stirnflächen des Tastzahns außerhalb der
regelmäßigen Teilung der Kanten der Kupplungszähne; c) einer der beiden Zahnkränze
ist gegenüber seiner Welle begrenzt drehbar und durch Federn in der Mittellage seines
begrenzten Drehbereichs gehalten.
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Das dritte, die begrenzte Drehbarkeit betreffende Merkmal ist bei
einer Zahnkupplung bekannt. Die drei Merkmale zusammen bewirken, daß die erfindungsgemäße
Zahnkupplung in jeder Lage der zu kuppelnden Maschinen, insbesondere auch bei Stillstand
der beiden zu kuppelnden Wellen eingerückt werden kann, wobei die Relativdrehung
des einen Zahnkranzes gegenüber dem anderen höchstens eine halbe Zahnteilung betragen
muß.
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Wird am Tastzahn und an den ihm axial gegenüberliegenden Kupplungszähnen
die Kante der schrägen Stirnflächen in Umfangsrichtung der Kupplung bezüglich des
jeweiligen Zahnes an die gleiche Stelle gelegt, so beträgt die erforderliche Relativdrehung
der Kupplungskränze im Grenzfall genau eine halbe Teilung. Diese Maßnahme erlaubt
überdies, die Kante der schrägen Stirnflächen beliebig weit außerhalb der Zahnmitte
anzuordnen, ohne daß die erforderliche Relativdrehung den Grenzwert von einer halben
Teilung überschreitet. Hierbei kann die eine der schrägen Stirnflächen der Kupplungszähne
als lange, in Umfangsrichtung den größten Teil des Zahnes einnehmende Abweisfläche
kleinen Neigungswinkels ausgebildet werden für das Einrücken der Kupplung bei angenähertem
Gleichlauf der zu kuppelnden Wellen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel für eine Kupplung nach
der Erfindung vereinfacht dargestellt. Es zeigt F i g. 1 einen Axialschnitt durch
eine Zahnkupplung nach der Linie I-1 in F i g. 2 und 3, F i g. 2 einen Querschnitt
nach der Linie II-II in F i g. 1., F i g. 3 einen Querschnitt nach der Linie III-III
in F i g. 1, F i g. 4 einen Axialschnitt nach der Linie IV-IV in F i g. 2 bei eingerückter
Kupplung, F i g. 5 einen Ausschnitt aus F i g. 1 in größerem Maßstab, F i g. 6 einen
Schnitt ähnlich dem nach F i g. 5, F i g. 7 einen erweiterten Ausschnitt aus F i
g. 1 in größerem Maßstab, F i g. 8 bis 10 Schnitte nach der Linie X-X in F i g.
7 mit verschiedenen Stellungen der Zahnkränze und F i g.11 einen Schnitt nach der
Linie XI-XI in F i g. 9.
Die dargestellte Kupplung verbindet zwei
Wellen 1
und 2. Auf die Welle 1 ist eine Nabe 3, auf die Welle 2 eine
Nabe 4 aufgezogen. Die Naben sind mit Muttern 5 bzw. 6 gesichert.
Die Nabe 3 weist eine Außenverzahnung 3' auf, in die ein in Achsrichtung
der Wellen 1 und 2 verschiebbarer Zahnkranz 7 mit Zähnen 7' eingreift.
Auf der Nabe 3 ist der Zahnkranz 7 mittels eines Ringansatzes 7" axial verschieblich
geführt. Die Nabe 4 trägt einen Zahnkranz 8, der auf ihr mittels Kugeln 9
drehbar gelagert ist. Der Zahnkranz 8 weist Zähne 8' auf und greift
mittels Anschlägen 8" zwischen Anschläge 4'
der Nabe 4. Die
Anschläge 4' und 8" sind so bemessen, daß sich die Nabe 4 gegenüber
dem Zahnkranz 8 um etwa eine Zahnteilung drehen kann.
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Von den Zähnen 8' des Zahnkranzes 8 ist an acht gleichmäßig
am Umfang verteilten Zähnen der in der Zeichnung rechts liegende Zahnteil abgefräst.
Im verbleibenden Teil 8'" ist je ein Tastzahn 10 in Einrückrichtung, d. h. in Achsrichtung,
verschieblich gelagert.
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Wie besonders aus den F i g. 7 bis 10 ersichtlich, stehen die Tastzähne
10 gegen den einrückenden Zahnkranz 7 hin über die Zähne 8' hinaus und werden durch
Federn 11 in.dieser Lage gehalten.
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Die Zähne 7' und 8' sind an den einander beim Einrücken zuerst berührenden
Stirnenden beidseitig abgeschrägt, damit die Zähne sich beim Aufeinandertreffen
gegenseitig in die Zahn-auf-Lücke-Stellung schieben. Die über die Zähne 8' hinausragenden
Tastzähne 10 weisen ebenfalls abgeschrägte Stirnenden auf. Dabei sind aber
die vorderen Kanten 14 der schrägen Stirnflächen der Tastzähne
10
gegenüber den entsprechenden Kanten 12 der Zähne 8' mit in Umfangsrichtung
versetzter Teilung angeordnet. Der drehbare Zahnkranz 8 wird relativ zur Welle 2
bzw. Nabe 4 durch Federn 15 in der Mittellage seines durch die Anschläge 4' und
8" begrenzten Drehbereichs gehalten. Dieser Federn 15 sind in einem Ringkanal 16
zwischen Nocken 17 und 18 (F i g. 3) angeordnet. Die Nocken 17 sind
am Zahnkranz 8 befestigt, während die Nocken 18 an einem mit der Nabe
4 verbundenen Ring 19 befestigt sind.
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Zum Einrücken der Kupplung bei Stillstand der Wellen 1 und 2 von der
in F i g. 1 gezeichneten ausgerückten Lage in die in F i g. 4 gezeichnete eingerückte
Lage wird der Ringansatz 7" mittels einer nicht dargestellten Schaltgabel von rechts
nach links bewegt.
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Dabei kommen, wie aus F i g. 8 ersichtlich ist, zunächst die Tastzähne
10 mit den Zähnen 7' in Berührung. Die Tastzähne gleiten beim weiteren Bewegen des
Zahnkranzes 7 an der Kante 13 und dann auf der kleineren Abschrägung der Zähne 7'
und drücken dabei den drehbeweglichen Zahnkranz 8 entgegen den in Umfangsrichtung
wirkenden Federn 15 in die Eingriffsstellung relativ zum nicht drehbeweglichen Zahnkranz
7. Die Wellen 1 und 2 bleiben dabei ohne Drehung in Ruhe.
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Bei der in F i g. 8 gezeichneten Stellung der Zahnkränze wäre ein
selbsttätiges Einkuppeln ohne Hilfe der Tastzähne nicht möglich, da bei dieser Stellung,
wie durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist, die Kanten 12 der Zähne
8' und die Kanten 13 der Zähne 7' gerade aufeinanderstoßen, also keine Relativdrehung
der.Zalpnkränze bewirken würden.
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Sollten beim Einkuppeln im Stillstand zufällig die Kanten
14 der Tastzähne 10 auf die Kanten 13 der Zähne 7' stoßen,
wie dies in F i g. 9 gezeigt ist, so werden die Tastzähne entgegen der Wirkung der
Feder 11 und einer Arretiereinrichtung 21 in die in F i g. 1.0 gezeichnete
Stellung gestoßen, bis die schrägen Endflächen der Zähne 7' und 8' aufeinanderliegen
und den Zahnkranz 8 (diesmal in der anderen Drehrichtung) drehen, bis eine Eingriffsstellung
erreicht ist und die Zahnkränze ineinandergeschoben werden können.
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An den Tastzähnen 10 und an den diesen axial gegenüberliegenden
Kupplungszähnen 7' liegen die Kanten 14 bzw. 13 der schrägen Stirnflächen
in Umfangsrichtung bezüglich des jeweiligen Zahnes an der gleichen Stelle. Treffen
die Kanten 14 der Tastzähne 10 auf die Kanten 13 der Zähne 7', so stehen die Zahnkränze
in der Zahn-auf-Zahn-Stellung. Das Einfädeln mittels der schrägen Stirnflächen der
Kupplungszähne 7' und 8' erfordert dann eine Relativdrehung der Zahnkränze um genau
eine halbe Zahnteilung. In allen anderen Stellungen der zu kuppelnden Wellen bleibt
die erforderliche Relativdrehung der Zahnkränze kleiner als eine halbe Zahnteilung.
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Die Tastzähne 10 und die ihrer Lagerung dienenden verkürzten
Zähne 8" werden zweckmäßig so ausgebildet, daß sie bei eingerückter Kupplung in
den Zahnlücken zwischen den Zähnen 7' Spiel haben und so keine Kraft übertragen.
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Zum Einkuppeln bei angenähert synchron laufenden Wellen 1 und 2 müssen
die Tastzähne 10 so stark ausgebildet oder so zahlreich sein, daß sie den Beanspruchungen
bei Beginn des Eingreifens in den Zahnkranz 7 gewachsen sind. Zweckmäßig wird man
eine Rückzugsvorrichtung anbringen, die die Tastzähne 10 für den Kupplungsvorgang
bei laufenden Wellen entgegen der Feder 11 zurückzieht, so daß sie unwirksam bleiben.
Eine solche Rückzugsvorrichtung kann einen durch Druckflüssigkeit betätigbaren Servomotor
aufweisen, wobei ein willkürliches Bewegen der Tastzähne möglich ist. Die Rückzugsvorrichtung
kann aber auch, wie in F i g. 6 gezeigt, aus einem Schwunggewicht 20 bestehen,
das den Tastzahn 10 bei überschreiten einer bestimmten Drehzahl der Kupplung zurückzieht.
Das Einkuppeln bei annähernd synchron laufenden Wellen geht dann ohne Tastzähne
folgendermaßen vor sich: Bei geringer Drehzahldifferenz der Wellen 1 und 2 kommen
die Zähne 7' und 8' einmal in eine Eingriffsstellung. Sobald die Zahnspitzen ineinandergreifen,
beginnt der Zahnkranz 8 mit der gleichen Drehzahl wie der Zahnkranz 7 zu drehen,
wobei er sich relativ zur Welle 2 dreht. Während der Zeit dieser Relativdrehung
können die Zahnkränze 7 und 8 längs der ganzen Breite der Zähne 8' ohne Belastung
ineinander einrücken. Erst wenn die genannte Relativdrehung durch Anliegen der Anschläge
8" an den Anschlägen 4' unterbunden wird, sind die Wellen 1 und 2 gezwungen, mit
der gleichen Drehzahl zu laufen, und es beginnt eine Drehmomentübertragung.
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Die eine der beiden schrägen Stirnflächen der Kupplungszähne 7' und
8' und der Tastzähne 10 weist einen kleineren Neigungswinkel als die andere auf
und erstreckt sich in Umfangsrichtung der Kupplung über den größten Teil der Zahnbreite.
Sie bildet eine Abweisfläche, die beim Kuppeln mit einander überholenden Drehzahlen
ein Einrücken bei zu großem Drehzahlunterschied verhindert. Trotz dieser
unsymmetrischen
Ausbildung der Stirnflächen der Kupplungszähne beträgt die erforderliche Relativdrehung
der Zahnkränze nur eine halbe Zahnteilung.
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Die Tastzähne müssen nicht im gleichen Zahnkranz wie die drehmomentübertragenden
Kupplungszähne angeordnet werden. Auch könnten sie in einen separaten Zahnkranz,
der lediglich gleiche Zähnezahl wie die zu kuppelnden Zahnkränze haben muß, eingreifen.
_ Die Zahnkränze der dargestellten Ausführungsform haben eine gerade Stirnverzahnung.
Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich aber sinngemäß auch bei anderen Verzahnungen
anwenden. So können die Zahnkränze beispielsweise Schrägverzahnung aufweisen oder
mit Kupplungsklauen versehen sein.