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Die Erfindung betrifft eine insbesondere für Schiffssehraubenwellen
zur übertragung hoher Drehmomente bestimmte Wellenkupplung, bei der die an den Enden
der treibenden und der getriebenen Welle befestigten Kurbelarme mit einem ungelagerten
Zwischenglied durch in mindestens zwei parallele Stangenelemente unterteilte, in
gummielastischen Gelenkmuffen gelagerte Kuppelstangen verbunden sind.
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Bei den bekannten Wellenkupplungen ist jedes Kurbelarmende mit dem
benachbarten Endteil des ungelagerten Zwischengliedes durch eine einzige, einteilige
Kuppelstange verbunden, die beiderseits in einer elastisch nachgiebigen Gelenkmuffe
gelagert ist. Durch die konische Verformbarkeit (Kugelgelenkwirkung) dieser Gelenke
werden die infolge von Ausrichtungsfehlern und Winkelabweichungen zwischen den miteinander
verbundenen Wellen auftretenden Rückwirkungskräfte auf die Wellenlager verringert.
Die Torsionsverformbarkeit (elastische Verdrehbarkeit) der Gelenkmuffen gestattet
auch radiale Verschiebungsbewegungen des ungelagerten gliedes der Wellenkupplung
um die zentrale Zwischeng Ausrichtungslage herum, welche die radiale Gleitmöglichkeit
des Zwischengliedes bei der ursprünglichen Form der Kupplung ersetzen. Die Rückwirkungen
der hierbei entwickelten elastischen Rückführungskräfte werden ebenfalls von den
Wellenlagern aufgenommen. Durch die auf diese Weise erzielte Elastizität einer solchen
Wellenkupplung werden heftige Stöße und Vibrationen während des Betriebes weitgehend
vermieden.
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Wenn nun eine derartige elastische Wellenkupplung zur übertragung
sehr großer Kräfte bzw. sehr hoher Drehmomente dienen soll, wie sie vornehmlich
bei Schraubenwellen im Großschiffsbau vorkommen, so taucht das Probehn auf, wie
man die elastischen Gelenkverbindungen der Kuppelstangen ausbilden muß, damit sie
einerseits diese hohen Beanspruchungen aufnehmen können, andererseits aber möglichst
wenig Platz benötigen. Bei Antriebsleistungen von z. B. 15 000 bis
30 000 PS treten an den langsam, z. B. mit 100 bis 250 U/min
umlaufenden Schraubenwellen großer Schiffe außerordentlich hohe Drehmomente von
z. B. 50 000 bis 250 000 mkg auf. In Kupplungen mit entsprechend
den Raumverhältnissen in Schiffen beschränkten Durchmessern von z. B.
2,50 bis 3,50 m ist mit Tangentialkräften in der Größenordnung von
60 000 bis 200 000 kg zu rechnen. Bei den bekannten Wellenkupplungen
müßte dann jedes elastische Kuppelstangengelenk die Hälfte der gesamten Tangentialkraft,
also im obigen Beispiel 30 000 bis 100 000 kg aufnehmen. Die zulässigen
Einheitsbelastungen bei radialer Beanspruchung der ringförmigen Massen aus gummiartigen
Werkstoffen sind aber ziemlich begrenzt, z. B. auf einige Zehner von Kilogramm
je Quadratzentimeter der senkrecht zu der Belastung projizierten Fläche.
Diese Bedingung führt zu derartig großen, z. B. 7,5 bis 20 dm2 projizierter
Fläche aufweisenden Abmessungen der elastischen Gelenke, daß sowohl ihre Torsionsstarrheit,
welche bei gegebener Dicke der gummielastischen Masse zu dem Produkt aus der dritten
Potenz ihres Halbmessers und ihrer Länge proportional ist, als auch ihre konische
Starrheit, welche unter den gleichen Verhältnissen zu dem Produkt aus ihrem Halbmesser
und der dritten Potenz ihrer Länge proportional ist, sehr hohe Werte erreichen.
Die möglichen bzw. zulässigen Ausrichtungsfehler der miteinander gekuppelten Wellen
in radialer Richtuna, und in Winkelrichtung sind dann durch die Größe der an den
Wellenlagerflächen auftretenden radialen Rückwirkungskräfte und der an den Wellen
auftretenden Biegungsmomente begrenzt.
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Durch die Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß die einzelnen
Stangenelemente jeder Kuppelstange in einer oder mehreren senkrecht zur Wellenachse
verlaufenden Radialebene bzw. -ebenen in verschiedenen radialen Abständen von der
Wellenachse angeordnet sind und jedes für sich mittels entsprechend unterteilter
gummielastischer Gelenkmuffen an den Kurbelarmen und an dem Zwischenglied gelagert
ist, wobei jedes Stangenelement aus zwei teleskopartig gegeneinander verschiebbaren
Teilen besteht, die über konische Ringe und dazwischenliegende kegelstumpfförmige
Gummiteile elastisch gegeneinander abgestützt sind.
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Dadurch wird erreicht, daß man einzelne elastische Gelenke mit erheblich
kleineren Abmessungen verwenden kann, welche eine wesentlich größere Torsionsnachgiebigkeit
und eine wesentlich größere konische Nachgiebigkeit besitzen, wodurch die radialen
Rückwirkungskräfte an den Wellenlagern entsprechend verringert werden, ohne jedoch
die radialen Beanspruchungen der gummielastischen Massen durch die tangentialen
Antriebskräfte zu vergrößern. Die kleineren Abmessungen der unterteilten elastischen
Gelenke ergeben sich rechnungsmäßig aus der Bedingung, daß für bestimmte Tangentialkräfte
die Summe ihrer projizierten Flächen die gleiche Größenordnung wie die projizierte
Fläche des elastischen Gelenks einer einzigen Kuppelstange der bisher bekannten
Kupplung haben muß. Daraus ergibt sich, daß gemäß dem vorstehend angegebenen ,keit
und die konikubischen Gesetz die Torsionssteifig sche Steifigkeit für die Gesamtanordnung
der Stangenelemente beträchtlich kleiner ist als bei einer nicht unterteilten Kuppelstange
bisheriger Bauart.
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Bei der Kinematik des Wattschen Parallelogramms, welche für die Funktion
von Wellenkupplungen der in Rede stehenden Art anwendbar ist, kann das Vorhandensein
eines Bündels von Stangenelementen an Stelle einer einzigen Kuppelstange zu sekundären
radialen Beanspruchungen an den Gelenken führen. Diese Beanspruchungen könnten zwar
bei Kupplungen mit geringen Drehmomenten von der radialen Elastizität der Gummimuffen
selbst aufgenommen werden. Bei Kupplungen zur übertragung hoher Drehmomnte reicht
aber die radiale Elastizität der Gummirnasse zur Aufnahme dieser Beanspruchungen
nicht aus. Es ist daher gemäß der Erfindung zweckmäßig, diese sekundären radialen
Beanspruchungen der elastischen Gelenke dadurch zu verringern, daß den Stangenelementen
jeder Kuppelstange eine gewisse Längselastizität verliehen wird. Hierdurch wird
gleichzeitig der Einfluß der Bohrungstoleranzen der Befestigungslöcher entsprechend
dem Achsabstand der Stangenelemente ausgeschaltet. Zur Erzielung dieser Längselastizität
kann z. B. die kombinierte Abscherungsbeanspruchung (Abscherung - Zug und
Abscherung - Druck) von mehreren ringförmigen Elementen allgemein kegelstumpfförmiger
Ausbildung aus Gummi oder ähnlichem Elastomer ausgenutzt werden, welche längs der
Achse eines jeden Stangenelements angeordnet sind.
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Die elastische Nachgiebigkeit der Stangenelemente
in
ihrer Längsrichtung hat in diesem Zusammenhang eine andere Funktion als die bei
einer Wellenkupplung anderer Art bekannte Anordnung einer oder mehrerer konzentrischer
Schraubenfedem zwischen den treibenden und den getriebenen Kupplungsgliedern. Diese
bekannte Wellenkupplung aber hat keine gummielastischen Gelenkmuffen oder Gelenke
für die Kuppelstangen der bekannten Wellenkupplungen.
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Die Relativverschiebung zwischen den miteinander gekuppelten Wellen
wird hier nicht durch eine bestimmte geometrische Anordnung der Kuppelstangen erzielt,
sondern durch die Kompression der Schraubenfedem zwischen den beiden Kupplungsgliedern.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielsweise
erläutert. Es zeigt F i g. 1 schematisch eine bekannte Oldham-Kupplung mit
Kuppelstangen, F i g. 2 in Vorderansicht eine Wellenkupplung gemäß F i der
g. 3 Erfindung, einen Schnitt durch die Wellenkupplung nach der Linie III-III
der F i g. 2, F i g. 4 in größerem Maßstab teils im Längsschnitt,
teils in Seitenansicht die Stangenelemente der Wellenkupplung gemäß der Erfindung
und F i g. 5 eine Gelenkmuffe dieser Stangenelemente im Schnitt nach der
Linie V-V der F i g. 4.
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Bei der in F i g. 1 schematisch dargestellten Kupplung ist
das ungelagerte Zwischenglied C durch Kuppelstangen 1, 2 mit den an
den beiden zu verbindenden Wellen 1, 11 befestigten Kurbelarmen A,
B
verbunden. Es sind zwei Kuppelstangen 1 gleicher Länge sowie zwei Kuppelstangen
2 gleicher Länge vorhanden. Diese Kuppelstangen sind im wesentlichen tangential
zu dem Drehkreis der Kupplung angeordnet und um zu der Achsrichtung der beiden Wellen
I und II parallele Achsen a, b, c, d bzw. e, f,
g, h schwenkbar, so daß zwei Wattsche Parallelogramme entstehen,
nämlich eines mit dem Umriß a-b-c-d und das andere mit dem Umriß e-f-g-h. Das Zwischenglied
C besteht beispielsweise aus einem radialen Arm 3, welcher in zwei
Kopfteile 4 ausläuft, an welche die Kuppelstangen 1, 2 angelenkt sind. Die
beiden Wattschen Parallelogramme, welche z. B. gegeneinander um 90' versetzt
sind, haben wenigstens in einem gewissen Bereich um die zentrale Ausrichtungslage
herum praktisch die gleiche Wirkung wie die bekannte Kupplung mit radialer Gleitmöglichkeit
des ungelagerten Zwischengliedes. An Stelle von starren Gelenken sind elastische
Gelenke vorgesehen, die aus ringförmigen Buchsen oder Gelenkmuffen 5
aus Gummi
oder einem sonstigen Elastomer bestehen. Die ringförmigen Gummibuchsen sind in bekannter
Weise an den einander gegenüberliegenden Oberflächen von zwei starren, konzentrischen
Buchsen angeordnet, die an der Kuppelstange bzw. an der Gelenkachse befestigt sind.
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Erfindungsgemäß ist nun jede Kuppelstange 1, 2 in einer Anzahl
n von im wesentlichen zueinander parallelen Stangenelementen unterteilt, deren einzelne
elastische Gelenke erheblich kleinere Abmessungen als das große Gelenk der nicht
unterteilten Kuppelstangen besitzen, so daß sie eine erheblich größere Torsionsnachgiebigkeit
und »konische« Nachgiebigkeit aufweisen.
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Es ist zweckmäßig, diese vielfachen Stangenelemente in mindestens
einer Radialebene anzuordnen, wobei die gummielastischen Gelenke 5 gemäß
F i g. 2 und 3 gegeneinander versetzt (schachbrettartig) angeordnet
werden, um Platz zu sparen. Es können in axialer Richtung zwei oder mehr in Radialebenen
liegende Stangenelemente nebeneinander vorgesehen werden, z. B. p Reihen
von m Stangenelementen (n = pm), wobei dann eine gemeinsame Gelenkachse für die
homologen Stangenelemente der aufeinanderfolgenden Reihen gemeinsam sein kann.
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In konstruktiver Hinsicht sind verschiedene Ausführungsformen für
den Einbau solcher Bündel von Stangenelementen möglich. Beispielsweise können gemäß
F i g. 2 und 3 die Kurbelarme A und B der F i g. 1 als
Scheiben 6, 7 mit Trennwänden 8 ausgebildet sein, welche Bohrungen
enthalten, in die die Achsen der gummielastischen Gelenke 5 eingesteckt und
auf beliebige Weise, z. B. durch Bolzen, Muttern od. dgl. in ihrer Lage gehalten
werden. Ein und dieselbe Achse kann dann ohne weiteres mehrere, den p Reihen
der Stangenelemente entsprechende gummielastische Buchsen tragen.
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Jede Kurbelarinscheibe 6 oder 7 wird z. B. mittels eines
zentralen, vollen Teiles 90 an einen entsprechenden, an dem zugehörigen Wellenende
vorgesehenen Befestigungsflansch mit Hilfe von Bolzen 15
angesetzt, welche
durch Axialbohrungen der Kurbelarmscheiben und der Befestigungsflansche verlaufen.
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In gleicher Weise hat jeder Kopfteil 4 des ungelagerten Zwischengliedes
3 ähnliche Trennwände 8.
Zur Erzielung der Längselastizität der Kuppelstangen
können z. B. mehrere ringförmige Elemente allgemein kegelstumpfförmiger Ausbildung
aus Gummi oder einem Elastomer verwendet werden, die längs der Achse eines jeden
Stangenelementes angeordnet sind. Diese in F i g. 4 besonders dargestellten
kegelstumpfförmigen Ringe 9,a haften z. B. an jedem von zwei Metallringen
91 bzw. 9.. Diese Teile sind zweckmäßig längs der Achse des Stangenelementes
so aufgereiht, daß zwei aufeinanderfolgende Blöcke
Kegel 9 a von entgegengesetzter
Konizität aufweisen. Die Blöcke 9 a, 913 92 sind zwischen einem
zentralen Stab 10, welcher an einem Ende 11 des Stangenelementes befestigt
ist, und einem zylindrischen Außenkörper 12 angeordnet, welcher bei 13 mit
dem anderen Ende 14 des Stangenelementes verbunden ist.
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F i g. 5 zeigt den Einbau und die Ausbildung der elastischen
Gelenkmuffen 5. Die die Gelenkachsen bildenden Stäbe 16 sind an Muffen
17 mit Hilfe von Bolzen, Muttern 18, 19 od. dgl. befestigt, wodurch
die Befestigung an den Tragwänden 8 gebildet wird. An diesen Muffen, deren
Durchmesser entsprechend der für die gummielastischen Massen 5 zu wählenden
projizierten Fläche berechnet ist, sind diese Gummibuchsen angebracht, welche in
bekannter Weise an einander gegenüberliegenden metallischen Muffen haften.
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Bei dieser Ausbildung können die Elastizitäten in verschiedenen Richtungen
zweckmäßig dosiert werden. Es können erhebliche zufällige oder dauernde Ausrichtungsfehler
aufgenommen werden, wobei die Beanspruchungen der elastischen Gelenke trotz der
hohen, zu übertragenden Kräfte bzw. Drehmomente auf mäßigen Werten gehalten werden,
ohne daß hierbei übermäßige Belastungen der Wellenlager oder erhebliche Biegungsmomente
an den Wellen selbst auftreten. Die Anwendung derartiger Wellenkupplungen ist daher
besonders für die Anwendung bei Schraubenwellen im Großschiffsbau von Interesse,
ohne
daß die Verwendung für ähnliche Zwecke bei Kupplungen zur übertragung großer Kräfte
dadurch ausgeschlossen sein soll.