DE19727801A1 - Schaltbare Scheibenkupplung oder Scheibenbremse - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine schaltbare Scheibenkupplung oder Scheibenbremse gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Die schaltbare Scheibenkupplung wird vorzugsweise im Antriebsstrang eines Schiffes zwischen einer Antriebsmaschine und einer Schiffspropellerwelle verwendet.

Es sind Schiffsantriebsanlagen bekannt, insbesondere für Shuttle-Tanker, welche einen Dieselmotor, insbesondere einen Zweitakt- Dieselmotor enthalten, der über eine elastische, nicht-schaltbare Kupplung und eine Zahnkupplung mit einer Schiffspropellerwelle antriebsmäßig verbunden ist. Die Schiffspropellerwelle ist mit einem Axialdrucklager zur Aufnahme von axialen Schubkräften versehen. Die zwischen der elastischen Kupplung und der Zahnkupplung angeordnete Wellenverbindung kann mit einem Nebenabtriebsgetriebe (PTO-Antrieb, Power Take Off Drive) zum Antrieb eines elektrischen Generators und/oder anderer Aggregate des Schiffes versehen sein. Bei Fahrbetrieb des Schiffes treibt der Schiffsmotor sowohl die Propellerwelle als auch über den Nebenabtrieb den Bordgenerator an. Damit der Bordgenerator auch bei Schiffsstillstand angetrieben werden kann, beispielsweise wenn das Schiff im Hafen liegt, muß die Schiffspropellerwelle vom Schiffsantriebsstrang getrennt werden. Dies erfolgt durch Öffnen der Zahnkupplung. Die Zahnkupplung kann jedoch nur bei völligem Stillstand sowohl der Motorwelle als auch der Schiffspropellerwelle geöffnet oder geschlossen werden. Dieses Öffnen und Schließen der Zahnkupplung wird beim Stand der Technik von Hand vorgenommen, wobei es beim Schließen der Zahnkupplung stets sehr zeitaufwendig und schwierig ist, die Zähne des einen Kupplungsteils auf Zahnlücken des anderen Kupplungsteils auszurichten und in Eingriff zu bringen. Hierfür muß häufig die Schiffspropellerwelle blockiert werden, damit sie nicht vom Fahrwasser gedreht wird. Der Schiffsantriebsmotor muß mit langsamer Drehzahl gefahren und unter Berechnung seines Auslaufweges so exakt abgeschaltet werden, daß die Motorwelle die Zähne des einen Kupplungsteils auf die Zahnlücken des anderen Kupplungsteils ausrichtet. Ein weiterer Nachteil der Zahnkupplung ist, daß sie nicht fernbedienbar ist, sondern vor Ort von Hand betätigt werden muß. Das Einrücken und Ausrücken der Zahnkupplung ist mehrmals am Tag erforderlich, wenn es sich bei dem Schiff beispielsweise um einen Shuttle-Tanker handelt. Ein weiterer Nachteil der Zahnkupplung ist, daß die Zähne des einen Kupplungsteils in den Zahnlücken des anderen Kupplungsteils etwas Spielraum haben müssen, damit sie einkuppelbar sind. Dies hat jedoch Schwingungsprobleme zur Folge und die Zähne schlagen gegeneinander, wodurch eine Materialabnutzung erfolgt und starke Geräusche entstehen. Wenn die von Hand schaltbare Zahnkupplung durch eine fernbedienbare schaltbare Lamellenkupplung ersetzt wird, besteht die Gefahr, daß bei einem Ausfall des Kupplungsschließdruckes die Belastung der Schiffspropellerwelle plötzlich vom Schiffsantriebsmotor getrennt wird und dadurch der Schiffsantriebsmotor überdreht und beschädigt wird. Ein weiteres Problem bei allen Antriebsanlagen ist, daß für sie nur wenig Bauraum im Schiff oder in einem anderen Maschinenraum zur Verfügung steht.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, eine schaltbare Kupplung zu schaffen, welche die vorgenannten Nachteile vermeidet, wobei insbesondere die Kupplung fernbetätigbar sein soll, ohne daß bei Ausfall ihrer Betätigungsmittel der Antriebsmotor plötzlich entlastet und dadurch überdrehen kann; ferner sollen durch Spielfreiheit in der Kupplung Schwingungsprobleme und Geräuschentwicklungen vermieden werden; außerdem soll die Baugröße klein sein, damit die Kupplung auch in kleinen Maschinenräumen verwendet werden kann.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Durch die Erfindung ist eine Scheibenkupplung gegeben, welche fernbetätigbar ist, eine kleine Baugröße hat, mindestens eine Redundanz enthalten kann, durch welche bei Ausfall eines Kupplungsschließsystems automatisch ein anderes Kupplungsschließsystem die Funktionsfähigkeit der Lamellenkupplung aufrechterhält, so daß die Gefahr eines plötzlichen Lastabfall vom Schiffsantriebsmotor und damit auch ein Überdrehen und Zerstören des Schiffsantriebsmotors vermieden wird.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform als Beispiel beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 einen gemäß der Erfindung ausgebildeten Schiffsantriebsstrang, insbesondere für einen Shuttle-Tanker,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Scheibenkupplung nach der Erfindung, wie sie in der Schiffsantriebsanlage von Fig. 1 verwendet wird,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht längs der Ebene III-III von Fig. 2.

Fig. 1 ist unmaßstäblich und in wesentlich kleinerem Maßstab gezeichnet als die Fig. 2 und 3.

Fig. 1 zeigt in Antriebsrichtung nacheinander einen Zweitakt-Dieselmotor 2, dessen Motorwelle 4 über eine elastische Kupplung 6, einen Zwischenwellenstrang 8 und eine fernbetätigbare schaltbare Scheibenkupplung 10 mit einer Schiffspropellerwelle 12 antriebsmäßig verbunden, die mit einem Schiffspropeller 14 versehen ist. Die Schiffspropellerwelle 12 ist mit einer Axiallageranordnung 16 zur Aufnahme von Axialschüben versehen. Der Zwischenwellenstrang 8 treibt außer der Schiffspropellerwelle 12 auch einen Nebenabtriebsstrang 18 für Bordaggregate des nicht dargestellten Schiffes an, beispielsweise einen elektrischen Generator 20 zur Erzeugung des Bordstromes. Der Nebenabtriebsstrang 18 (PTO, Power Take Off) kann gemäß Fig. 1 aus mehreren Zahnrädern bestehen, deren Abtriebszahnrad 22 über eine schaltbare Nebenabtriebs-Kupplung 24 an den Generator 20 angeschlossen ist. Der Generator 20 kann auch als elektrischer Motor zur Rückführung von elektrischer Energie in den Zwischenwellenstrang 8 dienen.

Die fernbetätigbare, schaltbare Scheibenkupplung 10, welche auch als Scheibenbremse verwendbar ist, hat zwei Kupplungsteile 30 und 32, von welchen der eine oder der andere den Eingang oder den Ausgang bilden kann. Im vorliegenden Beispiel ist angenommen, daß der eine Kupplungsteil 30 der Ausgangsteil und der andere Kupplungsteil 32 der Eingangsteil ist. Der eine Kupplungsteil 30 hat einen Wellenabschnitt 34, an welchen die Schiffspropellerwelle 12 angeschlossen ist, und einen im Durchmesser größeren Zylinderabschnitt 36. Der Zylinderabschnitt 36 enthält eine erste Vielzahl von ringförmig um eine Kupplungs-Drehachse 38 angeordneten ersten Kolben 40 und eine zweite Vielzahl von mit axialem Abstand von dem ersten Kolben 40 mit ihnen fluchtend und ringförmig um die Drehachse 38 herum angeordneten zweiten Kolben 42. Die Kolben 40 und 42 sind in Zylinderbohrungen 43 bzw. 44 mittels Betätigungs-Druckflüssigkeit parallel zur Drehachse 38 entgegengesetzt zueinander spannbar, um die radial äußeren Reibteile 46 bzw. 47 von Reibscheiben 48 und 50 mit ihren einander zugewandten stirnseitigen Reibflächen 52 bzw. 53 gegen entgegengesetzt voneinander wegragende stirnseitige Reibflächen 54 bzw. 55 einer Druckscheibe 58 zu drücken und dadurch die Scheibenkupplung zu schließen. Die Druckscheibe 58 ist ein in allen Richtungen starrer, unflexibler Ring, welcher mit dem einen Kupplungsteil 30 in allen Richtungen (axial und radial) unbeweglich starr verbunden ist.

Die erste Vielzahl von ringförmig angeordneten ersten Kolben 40 und die zweite Vielzahl von zweiten Kolben 42 wird in ihren Zylinderbohrungen 43 und 44 von zwei voneinander getrennten Druckmittelsystemen 60 und 62 betätigt. Das eine Druckmittelsystem 60 ist in Umfangsrichtung um die Drehachse 38 herum an die erste, dritte, fünfte, siebte, neunte usw. Zylinderbohrung 43 und 44 zur Betätigung von deren Kolben 40 und 42 hydraulisch angeschlossen, und die in Umfangsrichtung jeweils dazwischenliegenden zweiten, vierten, sechsten, achten, zehnten usw. Zylinderbohrungen 43 und 44 sind zur Betätigung von deren Kolben 40 und 42 jeweils an das andere Druckmittelsystem 62 hydraulisch angeschlossen. Dabei sind die beiden einander axial gegenüberliegenden Zylinderbohrungen 43 und 44 jeweils an das gleiche Druckmittelsystem 60 oder 62 angeschlossen. Dadurch können die Reibteile 46 und 47 der Reibscheiben 48 und 50 im Normalbetrieb von der Druckflüssigkeit von beiden Druckmittelsystemen 60 und 62 gegen die Druckscheibe 58 gedrückt werden, wobei im Falle des Ausfalles eines der beiden Druckmittelsysteme der Druck des weiterhin funktionierenden Druckmittelsystems 60 oder 62 ausreicht, die Reibteile 46 und 47 der Reibscheiben 48 und 50 ausreichend stark an die Druckscheibe 58 anzudrücken, damit eine Relativbewegung zwischen den Reibscheiben 48 und 50 und der Druckscheibe 58 vermieden wird, wenn die Kupplung geschlossen werden soll. Die beiden Druckmittelsysteme 60 und 62 haben jeweils ein eigenes Kanalsystem, welches sich jeweils von einem Druckmittelanschluß 64 bzw. 66 am Wellenabschnitt 34 des einen Kupplungsteils 30 durch dieses Kupplungsteil 30 hindurch bis zu den betreffenden Zylinderbohrungen 43 und 44 erstreckt. Gemäß abgewandelten Ausführungsformen können auch zwei oder mehr in Kupplungsumfangsrichtung nebeneinander angeordnete Zylinderbohrungen 43 und 44 an das gleiche Druckmittelsystem 60 oder 62 angeschlossen sein und sich in den dazwischen befindlichen Umfangsabschnitten eine entsprechende Anzahl von Zylinderbohrungen 43 und 44 befinden, die an das betreffende andere Druckmittelsystem 62 oder 60 angeschlossen sind.

Die Druckscheibe 58 ist ein in allen Richtungen unflexibler starrer Körper und ist unbeweglich starr mit dem einen Kupplungsteil 30 verbunden. Dies ist die bevorzugte Ausführungsform, in abgewandelter Ausführungsform könnte die Druckscheibe 58 eine in Axialrichtung federelastisch flexibel bewegliche Membran sein, die jedoch in Umfangsrichtung um die Drehachse 38 steif ist und starr mit dem einen Kupplungsteil 30 verbunden ist.

Jede Reibscheibe 48 und 50 hat an ihrem radial inneren Ende einen Anschlußteil 66, welcher am anderen Kupplungsteil 32 axial und radial unbeweglich starr verbunden ist. Bei jeder Reibscheibe 48 und 50 ist ihr Anschlußteil 66 über einen in einer Radialebene liegenden membranartig dünnen, axial federelastisch flexiblen Verbindungsteil 68 mit dem Reibteil 46 bzw. 47 verbunden. Der federelastische flexible Verbindungsteil 68 hält die Reibteile 46 und 47 jeweils in axialem Abstand von der Druckscheibe 58 und bringt sie in diese ausgerückte Kupplungsposition zurück, wenn der Druck des Druckfluides in den Zylinderbohrungen 43 und 44 auf einen Wert abfällt, dessen Axialkraft kleiner ist als die Axialkraft der federelastisch flexiblen Verbindungsteile 68. Die Druckflüssigkeit in den Zylinderbohrungen 43 und 44 muß deshalb zum Schließen der Kupplung den axialen Federdruck der flexiblen Verbindungsteile 68 überwinden.

Die Zeichnungen zeigen nur eine Kupplungseinheit bestehend aus einer Druckscheibe 58 zwischen zwei Reibscheiben 48 und 50. Gemäß abgewandelten Ausführungsformen können mehrere solche Kupplungseinheiten axial hintereinander angeordnet sein, wobei jeweils die Druckscheibe 58 ein Bestandteil des einen Kupplungsteils 32 und die Reibscheiben 48 und 50 ein Bestandteil des anderen Kupplungsteils 42 sind. Da die Kupplungs- Schließkräfte auf beide Stirnseiten der Druckscheibe 58 wirken, können hohe Schließkräfte erzeugt und damit hohe Drehmomente übertragen werden, ohne daß eine volumenmäßig große Kupplung mit vielen Teilen erforderlich ist.

Die beiden Kupplungsteile 30 und 32 sind durch eine Lageranordnung 70 axial und radial ineinander gelagert.

Durch die besondere Konstruktion der schaltbaren Scheibenkupplung 10 sind die beiden Kupplungsteile 30 und 32 über die Druckscheibe 58 und die Reibscheiben 48 und 50 spiel frei starr miteinander verbunden, wenn die Kupplung geschlossen ist. In einer Lageranordnung wie der Lageranordnung 70 sind jedoch immer Spielräume vorhanden. Zur Vermeidung von radialen Fluchtungsfehlern zwischen den beiden Kupplungsteilen 30 und 32 ist eine Zentriervorrichtung 72 vorgesehen, welche die beiden Kupplungsteile 30 und 32 jeweils radial miteinander zentriert auf die Mittelachse 38, bevor die Kupplung vom geöffneten Zustand in den Schließzustand geschaltet wird. Die Zentriervorrichtung 72 hat einen in der Drehachse 38 axial angeordneten Zentrierbolzen 74 mit einer axialen Kegelspitze 76 am einen Kupplungsteil 30 und eine ihr axial gegenüberliegende Zentrieröffnung 78 im anderen Kupplungsteil 32. Die Zentrieröffnung 78 hat eine zur kegelförmigen Spitze des Zentrierbolzens komplementäre Trichterform. Der Zentrierbolzen 74 ist relativ zu den beiden Kupplungsteilen 30 und 32 axial verstellbar. Die Kegelspitze 78 des Zentrierbolzens 74 wird jeweils vor dem Schließen der Scheibenkupplung in die Zentrieröffnung 78 bis zur Anlage an deren Öffnungswand eingesetzt und kann nach dem Öffnen der Scheibenkupplung wieder soweit zurückgezogen werden, daß sie in der Zentrieröffnung 78 nicht mehr anliegt. Der Zentrierbolzen 74 wird vorzugsweise entgegen der Kraft von Federmitteln (nicht dargestellt) durch Druckflüssigkeit in einer Druckkammer (79), die im einen Kupplungsteil 30 gebildet ist, axial in die Zentrieröffnung 78 vorgeschoben, wobei als Druckflüssigkeit die Druckflüssigkeit eines der beiden Druckmittelsysteme 60 oder 62 oder eine andere Druckflüssigkeit verwendet werden kann, die jeweils gleichzeitig mit der Druckflüssigkeit der Druckmittelsysteme 60 und 62 unter Druck gesetzt wird. Eine Steuervorrichtung 80 steuert jeweils die Druckmittelzufuhr und die Druckmittelentlastung der Druckflüssigkeiten für die Druckmittelsysteme 60 und 62 und die Zentriervorrichtung 72.

Druckflüssigkeit ist das bevorzugte Medium zur Betätigung der Druckmittelsysteme 60 und 62 sowie der Zentriervorrichtung 72. Gemäß abgewandelten Ausführungsformen ist jedoch auch Druckluft oder ein elektromagnetisches System möglich.

Die Druckscheibe 58 und die Reibscheiben 48 und 50 haben jetzt die Form eines Ringes, welcher konzentrisch zur Drehachse 38 angeordnet ist.

Gemäß einer nicht dargestellten, abgewandelten Ausführungsform kann der Zentrierbolzen 74 im anderen Kupplungsteil 32 axial verstellbar angeordnet sein und die Zentrieröffnung 78 im einen Kupplungsteil 30 gebildet sein.

Damit das Schiff bei totalem Ausfall von beiden Druckmittelsystemen 60 und 62 nicht fahruntauglich wird, sondern auch in diesem Fall der Schiffsantriebsmotor 2 mit der Schiffspropellerwelle 12 antriebsmäßig verbunden werden kann, sind mechanische Mittel, beispielsweise in Form von Gewindebolzen 86 vorgesehen, welche parallel zur Drehachse 38 in den einen Kupplungsteil 30 einschraubbar sind, um mit ihnen die Kolben 40 und 42 zusammen mit den Reibscheiben 48 und 50 gegen die Druckscheibe 58 zu pressen und damit die Kupplung zu schließen.

Claims (9)

1. Schaltbare Scheibenkupplung oder Scheibenbremse mit folgenden Merkmalen:

• - zwei Kupplungsteile, welche relativ zueinander um eine theoretische Drehachse drehbar sind;
• - die beiden Kupplungsteile haben je mindestens eine drehsteife, mit ihnen in allen Richtungen unbewegbar starr verbundene Kupplungsscheibe mit je mindestens einer Reibfläche auf einer Stirnseite, wobei die Reibflächen einander axial gegenüberliegen und axial relativ zueinander bewegbar sind;
• - fernbetätigbare Druckmittel mit Druckelementen, um die Reibflächen entgegen der axialen Kraft von Federmitteln relativ zueinander zu bewegen und dadurch miteinander zu kuppeln oder voneinander zu trennen;
• - die fernbetätigbaren Druckmittel sind auf mindestens zwei voneinander getrennte Druckmittelsysteme aufgeteilt, von denen jedes für sich in der Lage ist, die Reibflächen zu kuppeln oder voneinander zu trennen;
• - die Druckelemente sind um die Drehachse herum nacheinander angeordnet, wobei zwischen einer Vielzahl von Umfangsabschnitten mit je mindestens einem der Druckelemente, welches von dem einen Druckmittelsystem betätigt wird, je ein Umfangsabschnitt liegt, in welchen sich mindestens ein anderes der Druckelemente befindet, das von dem anderen Druckmittelsystem betätigt wird.

2. Schaltbare Scheibenkupplung oder Scheibenbremse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Kupplungsscheibe des einen Kupplungsteils eine in Umfangsrichtung steife Druckscheibe ist, die mit dem Kupplungsteil in allen Richtungen unbeweglich starr verbunden ist und an ihren beiden Stirnseiten je eine Reibfläche hat; daß die Kupplungsscheiben des anderen Kupplungsteils in Umfangsrichtung steife Reibscheiben sind, die einen mit diesem anderen Kupplungsteil in allen Richtungen unbeweglich starr verbundenen Anschlußteil, mit radialem Abstand davon einen Reibteil, und einen diese beiden Teile radial miteinander verbindenden, membranartig dünnen, axial federelastisch flexiblen Verbindungsteil haben, daß die Reibteile beidseitig der Druckscheibe angeordnet sind und mit ihren Reibflächen je einer Reibfläche der Druckscheibe axial gegenüberliegen, und wobei die Federmittel durch den genannten federelastisch flexiblen Verbindungsteil gebildet sind.

3. Schaltbare Scheibenkupplung oder Scheibenbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibflächen durch die Federmittel auf einem vorbestimmten axialen Abstand voneinander gehalten werden und durch die fernbetätigbaren Druckmittel gegeneinander gedrückt und damit die Kupplungsteile miteinander gekuppelt werden können.

4. Schaltbare Scheibenkupplung oder Scheibenbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur axialen Betätigung der Reibflächen zusätzlich zu den fernbetätigbaren Druckmitteln auch vor Ort von Hand betätigbare Mittel vorgesehen sind.

5. Schaltbare Scheibenkupplung oder Scheibenbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fernbetätigbaren Druckmittel mit Druckflüssigkeit betätigbare Druckmittel sind.

6. Schaltbare Scheibenkupplung oder Scheibenbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Kupplungsteilen eine Zentriervorrichtung vorgesehen ist, welche je axial in der Drehachse angeordnet einen Zentrierbolzen mit kegelförmiger Spitze und eine Zentrieröffnung mit einer zur Spitze komplementären Trichterform aufweist, die axial ineinander fügbar und wieder axial voneinander trennbar sind, wobei der Zentrierbolzen ein Teil des einen oder des anderen Kupplungsteils ist und die Zentrieröffnung ein Teil des betreffenden anderen oder einen Kupplungsteils ist.

7. Schaltbare Scheibenkupplung oder Scheibenbremse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentriervorrichtung und die fernbetätigbaren Druckmittel derart funktionell miteinander verbunden sind, daß beim Einkuppeln der Reibflächen automatisch der Zentrierbolzen in die Zentrieröffnung eingesetzt und dadurch die beiden Kupplungsteile radial miteinander zentriert werden, während beim Trennen der Reibflächen voneinander automatisch der Zentrierbolzen von der Zentrieröffnung getrennt wird.

8. Schaltbare Scheibenkupplung oder Scheibenbremse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Kupplungsteilen eine Lageranordnung vorgesehen ist, welche sie radial und axial relativ zueinander lagert.

9. Verwendung einer schaltbaren Scheibenkupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche im Antriebsstrang eines Schiffes zwischen einer Antriebsmaschine und einer Schiffspropellerwelle.