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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine geschlitzte, steife Kupplung, die benutzt wird, um zwei Wellen koaxial zu koppeln. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine geschlitzte, steife Kupplung, die in der Lage ist, eine Welle unter Benutzung eines Befestigungsbolzens sicher und nicht geneigt in einem geschlitzten Kupplungsbereich zu befestigen.
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Stand der Technik
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In einer geschlitzten, steifen Kupplung wird eine zu koppelnde Welle in einen Kupplungsbereich eingeführt, der mit einem Schlitz versehen ist. Der Kupplungsbereich wird in diesem Zustand durch einen Befestigungsbolzen befestigt, so dass die Welle sicher koaxial im Kupplungsbereich befestigt ist. Eine typische geschlitzte, steife Kupplung umfasst z. B. einen zylindrischen Kupplungskörper, eine runde Wellenöffnung mit einem festen Innendurchmesser, die sich durch das Zentrum des Kupplungskörpers erstreckt, und einen Befestigungsbolzen, wie in 4 von Patentdokument 1 gezeigt. Ein erster Schlitz ist an einer Position ein Stück weit, insbesondere auf halbem Wege, entlang des Kupplungskörpers ausgebildet, wobei sich der erste Schlitz entlang der Umfangsrichtung des Kupplungskörpers erstreckt. Ein zweiter Schlitz ist so ausgebildet, dass er sich in Richtung der Zentralachse der Kupplung erstreckt, wobei sich der zweite Schlitz von einem Ende des Kupplungskörpers zum ersten Schlitz erstreckt. Sobald die zu koppelnde Welle in die runde Wellenöffnung eingeführt worden ist, wird der Bereich des Kupplungskörpers, der durch den ersten Schlitz segmentiert wird, unter Benutzung des Befestigungsbolzens befestigt, wodurch die Welle sicher koaxial an dem Kupplungskörper befestigt wird. Solch eine steife Kupplung wird in Fällen verwendet, in denen z. B. eine Motorausgangswelle koaxial mit einer Eingangswelle eines Reduktionsgetriebes oder Ähnlichem zu koppeln ist. In den Patentdokumenten 2 und 3 wird ein Bereich der Welle eines Sonnenzahnrades für ein Planetengetriebe von einem der offenen Enden einer Kupplung aus pressgepasst und befestigt, eine Motorausgangswelle wird vom anderen offenen Ende der Kupplung aus eingeführt, wobei das andere offene Ende mit einem Schlitz versehen ist, und die Motorausgangswelle wird durch einen (nicht gezeigten) Befestigungsbolzen sicher befestigt.
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Dokumente des Standes der Technik
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Patentdokumente
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- Patentdokument 1: JP-A 2008-95937
- Patentdokument 2: JP-A 2005-9614
- Patentdokument 3: JP-A 2000-179629
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Zusammenfassung der Erfindung
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Durch die Erfindung zu lösende Probleme
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In einer geschlitzten, steifen Kupplung kann, wenn ein geschlitzter Kupplungsbereich in eine Wellenöffnung im Kupplungsbereich eingeführt wird und durch einen Befestigungsbolzen befestigt wird, die Welle in einer Position enden, in der sie schräg zur Achse des Kupplungsbereichs angeordnet ist. In der Vergangenheit wurde gedacht, dass sich aus dem Befestigen des Befestigungsbolzens ein tolerierbares Ausmaß axialer Abweichung des Außendurchmessers der Welle in Bezug auf den Innendurchmesser der Wellenöffnung ergibt. Eine von den Erfindern durchgeführte Analyse hat bestätigt, dass das Ausmaß der Schrägheit (Neigung) viel größer war als dieser axiale Versatz. In einem Übertragungsmechanismus oder einem anderen derartigen Mechanismus, in dem es nötig ist, Rotation mit hoher Präzision zu übertragen, ist es notwendig, solch eine Fehlausrichtung zuverlässig zu vermeiden oder zu minimieren.
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Ein Problem, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, ist es, eine steife Kupplung vorzuschlagen, mit der eine Welle auf eine nicht-schräge (nicht geneigte) oder im Wesentlichen nicht-schräge (im Wesentlichen nicht geneigte) Weise befestigt werden kann.
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Mittel zum Lösen der Probleme
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Um das zuvor genannte Problem anzugehen, hat die steife Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung:
einen zylindrischen Kupplungskörper.
eine Wellenöffnung mit kreisförmigem Querschnitt, wobei die Wellenöffnung in dem Kupplungskörper ausgebildet ist;
einen ersten Schlitz, der einen Bereich des Kupplungskörpers in Richtung einer Kupplungszentralachse segmentiert;
einen zweiten Schlitz, der den Bereich des Kupplungskörpers in Richtung eines Kupplungsumfangs segmentiert; und
einen Befestigungseinsatz zum Befestigen eines Bereichs des Kupplungskörpers, der durch den ersten Schlitz und den zweiten Schlitz segmentiert ist;
wobei sich der erste Schlitz entlang über einen vorgegebenen Winkelbereich einer Umfangsrichtung des Kupplungskörpers erstreckt;
sich der zweite Schlitz in Richtung der Kupplungszentralachse von einem Ende des Kupplungskörpers zum ersten Schlitz erstreckt;
ein Bereich des Kupplungskörpers, in dem der zweite Schlitz ausgebildet ist, ein Befestigungsbereich ist, der mit einem Innenumfangsflächenbereich ausgestattet ist, wobei ein Innendurchmesser davon in der Lage ist, sich zu verringern, wenn der Befestigungseinsatz befestigt wird; und
eine Entlastungsfläche, die relativ zum Innenumfangsflächenbereich des Befestigungsbereichs in radialer Richtung nach außen zurückversetzt ist, und die in der Innenumfangsfläche der Wellenöffnung in wenigstens einem Innenumfangsflächenbereich ausgebildet ist, der mit dem Innenumfangsflächenbereich des Befestigungsbereichs verbunden ist.
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Typischerweise werden Wellenöffnungen mit gleichem Innendurchmesser im Kupplungskörper ausgebildet, andere Innenumfangsflächenbereiche der Wellenöffnung als der Innenumfangsbereich des Befestigungsbereichs werden hergestellt, und die Gesamtheit dieser Innenumfangsflächenbereiche der Wellenöffnung werden als Entlastungsfläche verwendet. Z. B. kann die Wellenöffnung so in dem Kupplungskörper ausgebildet sein, dass der Innendurchmesser des anderen Abschnittes relativ zum Innendurchmesser des Wellenöffnungsbereichs im Befestigungsbereich 1 mm größer ist.
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1A zeigt die Neigung einer Welle, die in einer geschlitzten steifen Kupplung auftritt. Eine zu koppelnde Welle 5 ist in eine Wellenöffnung 3 eines Kupplungskörpers 2 einer steifen Kupplung 1 eingeführt. Die Welle 5 ist von einer Stirnfläche 2a eines geschlitzten Befestigungsbereichs 4 im Kupplungskörper 2 aus eingeführt. Nachdem sie eingeführt worden ist, wird die Welle 5 durch einen (nicht gezeigten) Befestigungsbolzen am Befestigungsbereich 4 befestigt. Wenn der Befestigungsbolzen befestigt ist, nimmt der Kupplungskörper 2 relativ zu einem Bereich des Befestigungsbereichs 4 eine schräge Ausrichtung ein. Ein Innenumfangsflächenbereich 3b der Wellenöffnung 2 kommt in Kontakt mit der äußeren Umfangsfläche 5a eines distalen Endbereichs der Welle 5, die in einen Bereich der Wellenöffnung 3 eingeführt ist, der weiter innen als der Befestigungsbereich 4 angeordnet ist. Durch den Innenumfangsflächenbereich 3b der Wellenöffnung wird eine Kraft erzeugt, welche die Welle 5 in einer Richtung orthogonal zu einer Axialrichtung der Welle 5 drückt. Dies legt nahe, dass zwischen der Welle 5 und dem Kupplungskörper 2 ein großes Ausmaß an Neigung vorhanden ist. Die Analyse der Erfinder hat bestätigt, dass zwischen der Welle 5 und dem Innenumfangsflächenbereich 3c (dem Bereich, der in der Zeichnung von den dicken Linien eingeschlossen ist) auf der Innenseite des Wellenöffnungsbereichs ein hoher Anpressdruck erzeugt wird, wobei der Innenumfangsflächenbereich 3c einem Innenumfangsflächenbereich 3a des Wellenöffnungsbereichs zum Befestigen des Befestigungsbereichs 4 benachbart ist, wie in der 1B gezeigt.
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Wenn der Kupplungskörper durch den Befestigungseinsatz befestigt wird, ist in der steifen Kupplung gemäß der vorliegenden Erfindung eine in radialer Richtung nach außen versetzte Entlastungsfläche, die auf einem Innenumfangsflächenbereich (dem Innenumfangsflächenbereich 3c in 1B) ausgebildet ist, Anpressdruck von Seiten der Innenumfangsfläche der Wellenöffnung gegen die in die Wellenöffnung eingefügte Welle ausgesetzt. Die Entlastungsfläche erlaubt es, Anpressdruck zwischen dem Innenumfangsflächenbereich der Wellenöffnung und der Welle zu vermeiden. Alternativ kann dadurch der Anpressdruck erheblich reduziert werden. Als Ergebnis kann die Schrägheit (Neigung) der sicher am Kupplungskörper befestigten Welle verhindert oder minimiert werden, und die Welle kann präzise und sicher koaxial an dem Kupplungskörper befestigt werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt einen geneigten Zustand einer Welle in einer steifen Kupplung;
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2 zeigt Innenumfangsflächenbereiche der Wellenöffnung der steifen Kupplung aus 1A;
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2 ist eine perspektivische Ansicht, die den Zustand einer Welle zeigt, die sicher in einer steifen Kupplung befestigt ist, in der die vorliegende Erfindung benutzt wird;
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3A ist eine perspektivische Ansicht, welche die steife Kupplung aus
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2 entlang einer Ebene, welche die Achse der steifen Kupplung enthält, im aufgeschnitten Zustand zeigt;
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3B ist eine vergrößerte Teilschnittansicht, welche die Innenumfangsfläche der Wellenöffnung in der steifen Kupplung in 2 zeigt; und
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4 ist ein Graph, der eine Beispiel von Ergebnissen der Analyse der Neigung der Welle in der steifen Kupplung aus 2 zeigt.
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Art, die Erfindung auszuführen
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Ein Ausführungsbeispiel einer steifen Kupplung, in der die vorliegende Erfindung benutzt wird, wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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2 ist eine perspektivische Ansicht, die eine steife Kupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt. 3A ist eine perspektivische Ansicht der steifen Kupplung aus 2 in einem aufgeschnitten Zustand entlang einer Ebene, welche die Zentralachse der steifen Kupplung enthält, und 3B ist eine vergrößerte Teilschnittansicht, welche die innere Umfangsfläche der Schaftöffnung in der steifen Kupplung zeigt. Die folgende Beschreibung nimmt auf diese Zeichnungen Bezug. Eine steife Kupplung 11 umfasst einen zylindrischen Kupplungskörper 12 und einen Befestigungsbolzen 13. Eine zu koppelnde Welle 15 wird in einer Wellenöffnung 14, die sich in einer Stirnfläche 12a des Kupplungskörpers 12 öffnet, eingeführt, und die Welle 15 wird durch den Befestigungsbolzen 13 in einem koaxialen Zustand sicher in dem Kupplungskörper 12 befestigt.
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Eine weitere (nicht gezeigte) zu koppelnde Welle wird z. B. sicher in eine Wellenöffnung pressgepasst, die sich in einer anderen Stirnfläche 12b des Kupplungskörpers 12 öffnet. In dem sich daraus ergebenden Zustand sind die beiden Wellen durch die steife Kupplung 11 koaxial gekoppelt.
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Ein zylindrischer Bereich 21 mit einem großen Durchmesser, ein zylindrischer Bereich 22 mit einem kleinen Durchmesser und ein zylindrischer Bereich 23 mit einem noch kleineren Durchmesser sind von einer Stirnfläche 12a zur anderen Stirnfläche 12b koaxial in dem Kupplungskörper 12 ausgebildet. Ein erster Schlitz 24 mit fester Breite ist im zylindrischen Bereich 21 mit dem großen Durchmesser ausgebildet, wobei sich der erste Schlitz 24 über einen Winkelbereich von im Wesentlichen 180° entlang der Umfangsrichtung an einer Position erstreckt, die in Richtung der Zentralachse 11a um einen vorgegebenen Abstand von der Stirnfläche 12a beabstandet ist. Der Bereich des zylindrischen Abschnitts 21, in dem der erste Schlitz 24 ausgebildet ist, wird in Richtung der Zentralachse 11a durch den ersten Schlitz 24 in Segmente aufgeteilt. Der zylindrische Bereich von der Stirnfläche 12a zum ersten Schlitz 24 wirkt als ein Befestigungsbereich 25 zum sicheren Befestigen der Welle 15 unter Benutzung eines Befestigungsbolzens 13. Ein zweiter Schlitz 26 ist im Befestigungsbereich 25 ausgebildet, wobei sich der zweite Schlitz 26 linear in Richtung der Zentralachse 11a von der Stirnfläche 12a zum ersten Schlitz 24 erstreckt. Der Befestigungsbereich 25 ist in der Umfangsrichtung durch den zweiten Schlitz 26 in Segmente unterteilt.
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Im Befestigungsbereich 25 ist in einem Bereich, der den zweiten Schlitz 26 zugewandt ist, eine Bolzendurchgangsöffnung 25 ausgebildet, und in einem anderen Bereich ist eine (nicht gezeigte) Bolzenbefestigungsöffnung ausgebildet, die einen Innengewindebereich hat, der auf ihrer inneren Umfangsfläche ausgebildet ist. Der Befestigungsbolzen 13 wird durch die Bolzendurchgangsöffnung 27 in die Bolzenbefestigungsöffnung geschraubt, wobei der Befestigungsbereich 25 in radialer Richtung nach innen befestigt wird, und die in die Wellenöffnung 14 eingefügte Welle 15 sicher am Kupplungskörper 12 befestigt wird.
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Die Wellenöffnung 14, die sich in der Stirnfläche 12a des Kupplungskörpers 12 öffnet, verläuft durch den zylindrischen Abschnitt 21 und erstreckt sich zu einer Position ein Stück weit, insbesondere auf halbem Wege, entlang des zylindrischen Abschnitts 22, wie in den 3A und 3B gezeigt. Die Wellenöffnung 16, die sich in der anderen Stirnfläche 12b öffnet, ist eine runde Wellenöffnung mit einem kleineren Durchmesser als die Wellenöffnung 14, die Wellenöffnung 16 erstreckt sich von der Stirnfläche 12b in Richtung der Zentralachse 11a zu einer Position ein Stück weit, insbesondere auf halbem Wege, entlang des zylindrischen Bereichs 23. Die Wellenöffnung 14 und die Wellenöffnung 16 sind koaxial ausgebildet und durch eine runde Verbindungsdurchgangsöffnung 29, die einen kleineren Durchmesser als die Wellenöffnungen 14, 16 hat, miteinander verbunden.
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Die Wellenöffnung 14 auf der Stirnfläche 12a umfasst einen Wellenöffnungsbereich 31 zum Befestigen, wobei der Wellenöffnungsbereich 31 innerhalb des Befestigungsbereichs 25 ausgebildet ist, und einen Wellenöffnungsbereich 33, der komplementär zum Wellenöffnungsbereich 31 ist. Der Wellenöffnungsbereich 31 zum Befestigen ist ein Bereich von der Stirnfläche 12a zu einer Schlitzstirnfläche 24a auf Seiten der Stirnfläche 12a des ersten Schlitzes 24. Der Innendurchmesser d(32) eines runden Innenumfangsflächenbereichs 32a des komplementären Wellenöffnungsbereichs 32 ist geringfügig größer als der Innendurchmesser d(31) eines runden Innenumfangsflächenbereichs 31a des Wellenöffnungsbereichs 31 zum Befestigen.
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Der runde Innenumfangsflächenbereich 31a ist insbesondere eine ausgesparte Fläche, die gegenüber dem runden Innenumfangsflächenbereich 31a in radialer Richtung nach außen zurückversetzt ist. Daher wird zwischen dem runden Innenumfangsflächenbereich 31a des Wellenöffnungsbereichs 31 zum Befestigen und dem runden Innenumfangsflächenbereich 32 des komplementären Wellenöffnungsbereichs 32, der daran befestigt ist, eine geringfügig gekrümmte Stufe 33 bereitgestellt.
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4 ist eine Graph, der ein Beispiel der Ergebnisse einer Analyse des Ausmaßes der Neigung der Welle 15 in der steifen Kupplung 11 zeigt, die wie zuvor beschrieben aufgebaut ist. Die steife Kupplung 11 wurde in einem Fall analysiert, in dem der innere Durchmesser der Kupplung, d. h. der Innendurchmesser d(31) des Befestigungsbereichs 25 in der Wellenöffnung 14, 35,016 mm war, der Innendurchmesser d(32) des komplementären Wellenöffnungsbereichs 36,016 mm war, der Außendurchmesser der Welle 15 35,005 mm war und die Eindringlänge der Welle in der Wellenöffnung 14 42 mm war. Das für die steife Kupplung 11 und die Welle 15 verwendete Material hat ein Young's-Modul von 206 GPa und ein Poisson-Verhältnis von 0,3. Das Ausmaß der Versetzung der äußeren Umfangsfläche des Kupplungskörpers 12 in der Richtung orthogonal zur Zentralachse 11a (Richtung der Z-Achse in der Zeichnung) wurde an den vier Punkten P1–P4 analysiert, die in Richtung der Zentralachse 11a (Richtung der X-Achse in der Zeichnung) von der Stirnfläche 12a bei 24 mm, 54 mm, 84 mm und 100 mm beabstandet waren. Die quadratischen Punkte in der Grafik bezeichnen einen Fall, in dem der Innendurchmesser der Wellenöffnung 40 in Richtung der Zentralachse 11a gleichförmig war (35,016 mm) und die rautenförmigen Punkte bezeichnen den Fall der steifen Kupplung 11 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Aus der Grafik ist offensichtlich, dass die Schrägheit (Neigung) der Welle 15 erheblich reduziert werden kann, wenn die steife Kupplung 11 des vorliegenden Ausführungsbeispiels benutzt wird.
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Das Ausmaß, um das der innere Umfangsflächenbereich des Wellenöffnungsbereichs 32 relativ zum inneren Umfangsflächenbereich des Wellenöffnungsbereichs 31 zum Befestigen in radialer Richtung nach außen zurückgesetzt ist, die Breite des Befestigungsbereichs 25 (die Länge des Befestigungsbereichs 25 von der Stirnfläche 12a zum ersten Schlitz 24) und die Position entlang der Zentralachse 11a, an dem der Befestigungsbolzen 13 an dem Befestigungsbereich 25 befestigt ist, kann angepasst werden, um die Neigung der Welle 15 auf einen Wert innerhalb eines erlaubten Bereichs zu reduzieren. Durch eine geeignete Wahl dieser Werte kann die Neigung der Welle 15 zuverlässig auf einen Wert innerhalb eines erlaubten Bereichs reduziert werden.
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In dem zuvor beschriebenen Beispiel ist der Innendurchmesser d(32) des komplementären Wellenöffnungsbereichs insgesamt größer als der Innendurchmesser d(31) des Wellenöffnungsbereichs des Befestigungsbereichs 25. Im Wesentlichen kann der benachbarte Innenumfangsflächenbereich 3c, der in der 1B von den fetten Linien umschlossen ist, die Entlastungsfläche bilden. Insbesondere kann ein Verbindungsbereich, der kontinuierlich mit dem inneren Umfangsflächenbereich des Befestigungsbereichs 25 ist, wobei der Verbindungsbereich in dem ersten Schlitz 24 angeordnet ist, in Richtung der Zentralachse 11a auf eine vorgegebene Länge beschnitten werden, um die Entlastungsfläche auszubilden. Typischerweise legen Überlegungen, die im Zusammenhang mit dem Herstellen der Wellenöffnung stehen, nahe, dass die Entlastungsfläche vorzugsweise außerhalb des Befestigungsbereichs 25 auf dem gesamten inneren Umfangsflächenbereich der Wellenöffnung ausgebildet wird.