DE20020455U1

DE20020455U1 - Kupplung für die Verbindung zweier koaxialer Wellen

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Publication number: DE20020455U1
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Priority date: 2000-12-02
Filing date: 2000-12-02
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2010-12-03

Description

Kupplung für die Verbindung zweier koaxialer Wellen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupplung für die Verbindung zweier koaxialer Wellen, bestehend aus zwei Naben und einem Übertragungselement, wobei jede Nabe am Ende einer Welle befestigt ist und die beiden Naben durch das Übertragungselement, dass einen zylindrischen Faltenbalg mit umlaufenden Falten aufweist, miteinander verbunden sind.

Zum einen sind heute als Stand der Technik Wellenkupplungen bekannt, bei denen die zwei Naben, die jeweils an einem Wellenende befestigt werden, über einen flexiblen Metallbalg miteinander verbunden sind. Das Übertragungselement besteht demnach aus dem zwischen den beiden Naben liegenden, zylindrischen Faltenbalg, der aber an beiden Naben dauerhaft, z.B. durch Schweiß- oder Schraubverbindungen, angebracht ist. Der Faltenbalg ist in der Regel aus Metall gefertigt, aber für Einsatzgebiete mit geringeren Belastungen und/oder bei denen im Dauerbetrieb nur wenige Lastwechsel zu bewältigen sind, ist es auch denkbar, ihn aus einem Kunststoffmaterial herzustellen. Davon unabhängig können die Naben als Klemmringe oder als andersartige Wellenbefestigung, beispielsweise als Schraubflansche o.a., ausgeführt sein.
Die beschriebenen Kupplungen haben den wesentlichen Nachteil, dass mit ihnen die zwei Wellen zum Ausgleich eines Wellenversatzes über den Metallbalg zwar flexibel, aber nicht lösbar miteinander verbunden werden, das Trennen der Wellen durch Auskuppeln also nicht möglich ist.
Zum anderen sind als Stand der Technik zur Verbindung zweier koaxial angeordneter Wellen lösbare Kupplungen bekannt, bei denen im einge-

rückten Zustand zwei Kupplungsmuffen mit ihren Profilen ineinander greifen. Bei diesen Kupplungen können die beiden Kupplungshälften getrennt werden, wonach die Wellen voneinander unabhängig bewegbar sind. Die Wellen können also im ausgekuppelten Zustand mit unterschiedlichen Drehzahlen frei beweglich laufen bzw. angetrieben werden.

Ein wesentlicher Nachteil der Wellenkupplungen dieser Bauart ist die fehlende Flexibilität des Ubertragungselement.es für den Ausgleich eines Wellenversatzes, wie er beispielsweise bei der Montage oder durch Erwärmung auftreten kann.

Ausgehend vom Stand der Technik hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Kupplung zur Verfügung zu stellen, bei der die Eigenschaften einer flexiblen Verbindung der beiden Wellen funktionsgerecht miteinander kombiniert sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Übertragungselement zusätzlich zu mindestens einem Faltenbalg noch aus

zwei Kupplungsmuffen besteht, die beiden Kupplungsmuffen lösbar miteinander verbunden sind und der Faltenbalg mit einem Ende an einer Kupplungsmuffe und mit dem anderen Ende an einer Nabe angebracht ist.
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Als wichtigste Neuerung der Erfindung ist an erster Stelle das Übertragungselement zu nennen, das aus mindestens einem Faltenbalg und zusätzlich aus zwei Kupplungsmuffen besteht. Bei den als Stand der Technik anzusehenden Wellenkupplungen ist der Faltenbalg direkt an den beiden Naben angebracht, die jeweils an einem Wellenende befes-

tigt sind, und stellt gemeinsam mit ihnen die Verbindung zwischen beiden Wellen her. Durch den zusätzlichen Einbau zweier Kupplungsmuffen wird eine zusätzliche Beweglichkeit in axialer Richtung erreicht, die dadurch erweitert werden kann, dass die beiden Kupplungsmuffen lösbar miteinander verbunden sind, !n diesem Fall lässt sich die Kupplung jederzeit trennen, damit sich die beiden Wellen unabhängig voneinander bewegen können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird dadurch erreicht, dass der Faltenbalg mit einem Ende an einer Kupplungsmuffe und mit dem anderen Ende an einer Nabe angebracht ist. Damit ist das eigentlich flexible Bauelement benachbart zur lösbaren Verbindung angeordnet und direkt mit ihr verbunden. Auf diese Weise werden die Auswirkungen von Verformungen und Spannungen, die durch einen Wellenversatz auftreten und dazu führen können, dass sich die ineinandergreifenden Kupplungsmuffen verkanten und Kantenpressung auftritt, von diesen ferngehalten oder zumindest minimiert.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Als ein wesentlicher Vorteil ist auch eine andere Ausgestaltung der Erfindung anzusehen, bei der die Naben als Klemmnaben ausgeführt sind. Klemmnaben sind einfach zu fertigende und leicht zu montierende Maschinenelemente, die in einer Vielzahl verschiedener, normierter Größen auf Lager gehalten werden und verfügbar sind. Sie werden bevorzugt bei steckbaren Wellenkupplungen eingesetzt, um die Montagezeiten und -kosten möglichst gering zu halten. Die genaue Anpassung an die jeweils vorhandenen Wellendurchmesser kann über die Reduzierbuchsen erfolgen.

Einen weiteren Vorteil, insbesondere gegenüber den als Stand der Technik anzusehenden Kupplungen, in denen ein Elastomerteil als lösbares und deformierbares Übertragungselement wirkt, stellt ein Faltenbalg dar, der in Umfangsrichtung torsionssteif ist. Mit einer Verbindung zweier Wellen, in der die Kraft- bzw. Momentübertragung zwangsläufig über ein relativ weiches Bauteil aus Elastomer erfolgen muss, lässt sich keine Torsionssteifigkeit in der genannten Richtung erzielen; es werden immer Drehmoment- und Geschwindigkeitsstöße auftreten, die letzt-

10. endlich zu gefährlichen Schwingungen führen. Dagegen besitzt ein zylindrischer Faltenbalg keine Flexibilität in Richtung seines Umfanges, so dass die Übertragung beispielsweise eines Antriebsmomentes von einer Welle auf die andere ohne jeglichen Schlupf in der Kupplung bzw. genauer im Übertragungselement erfolgen kann.

Als geeignetes Material für den in das Übertragungselement eingebauten Faltenbalg wird Metall vorgeschlagen, weil die dynamischen Eigenschaften des Bauteils durch den gewählten Werkstoff bestimmt werden. Deshalb wird unter Berücksichtigung der festgelegten Form, Dimensionierung und Einbaulage des Faltenbalges die größtmögliche Torsionssteifigkeit erzielt, wenn dieses Bauteil aus Metall gefertigt ist. Als weiterer Vorteil ist der bei Verwendung von Metall als Werkstoff bis hinauf zu Temperaturen von etwa 300° C erweiterte Einsatzbereich der Kupplung zu erwähnen. Bei Einbau des oben beschriebenen Übertragungselementes aus einem Elastomermaterial für die Verbindung zweier koaxialer Wellen ist die Kupplung nur innerhalb eines beschränkten Temperaturbereiches einsetzbar, der durch die thermischen Eigenschaften des verwendeten Elastomers festgelegt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die beiden Kupplungsmuffen durch formschlüssig in axialer Richtung ineinandergreifende Profile lösbar miteinander verbunden. Dabei ist darauf zu achten, dass ein größeres Spiel in Umfangsrichtung zu vermeiden ist, da es einen gravierenden Nachteil für die Genauigkeit und Wirksamkeit der Drehmomentübertragung darstellt, wenn kein optimaler Kraftschluss möglich ist.

Als weiterer Vorteil ist anzusehen, wenn die Profile klauenförmig gestaltet sind. Diese Art der Ausgestaltung der Profile ist hinsichtlich der Ü-bertragungsgenauigkeit für Kraft und Momente den meisten anderen Profilformen in Kupplungssystemen überlegen, z.B. einer Form, bei der die formschlüssige Kraftübertragung mit Hilfe von axial angeordneten Zylinderstiften erreicht wird, oder einer anderen Form, bei der sie mit Mehrkeilwellen erzielt wird. Bei diesen beiden Ausführungsformen der Profile tritt in der Regel ein Spiel in Umfangrichtung auf, wodurch die Übertragungsgenauigkeit stark vermindert und die mit dem metallischen Faltenbalg erreichte Torsionssteifigkeit verringert wird.

In einer Weiterentwicklung sind die Profile auf der planen Stirnseite der Kupplungsmuffen bei konstantem Radius am Umfang angeordnet. Eine solche, hier sehr einfach gestaltete Anordnung der Profile auf der Stirnseite der Kupplungsmuffen wird bei Wellenkupplungen sehr häufig verwendet, weil zum Trennen der beiden Kupplungsmuffen diese nur über eine kurze Strecke auseinanderbewegt werden müssen und für das zügige Auskuppeln der rotierenden Bauteile ein schnelles Öffnen der aneinandergelegten Zahnflächen erforderlich ist. Die stark verbesserte Ausführung dieser Profilanordnung wird in einem weiteren Unteranspruch für eine Stirnverzahnung genauer beschrieben.

Eine weitere wesentliche Verbesserung stellt eine Ausführungsform der Erfindung dar, bei der die plane Stirnseite der Kupplungsmuffen durch die am Umfang angeordneten Profile im Querschnitt in gleichgroße Kreissegmente unterteilt ist.

Durch die gleichmäßige Teilung des Umfanges bzw. der Stirnseite der Kupplungsmuffe ist sichergestellt, dass zunächst alle Zähne und Lücken genau groß und genau gleich geformt ausgeführt sind, wodurch jeder Zahn der einen Kupplungsmuffe passgenau in jede Lücke der anderen Kupplungsmuffe greifen kann, womit eine wesentliche Voraus-Setzung für das schnelle Schließen der Kupplungsverbindung erfüllt ist.

Weiterhin stellt die Teilung der Stirnseite der Kupplungsmuffe im Profile, die Kreissegmenten entsprechen, sicher, dass die ineinandergreifenden Verzahnungen beider Kupplungsmuffen sich beim Schließen der Verbindung selbstständig zentrieren. Diese Selbstzentrierungen von Verzahnungen lässt sich nur durch eine exakte kreissegmentweise Anordnung der Zahnprofile erreichen.

Einen anderen Vorteil stellt eine Ausführungsform dar, bei der die Profile in axialer Richtung als Stirnverzahnung mit konzentrisch angeordneten Zähnen bzw. Lücken ausgebildet sind. Wie schon in einem weiter oben erläuterten Unteranspruch dargestellt, kann durch die Anordnung der ineinandergreifenden Profile auf der Stirnseite der Kupplungsmuffen die Zeitdauer für das Aus- und Einrücken der Muffen wesentlich verkürzt werden. Die geringeren Schaltzeiten sind vor allem für das Trennen von schnell rotierenden Kupplungen von entscheidender Bedeutung. Weiterhin führen die sich zur Kupplungs- bzw. Wellenachse hin verschmälernden Zahnprofile zur Selbstzentrierung der konzentrisch angeordneten Zähne und Lücken.

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In Kombination mit dem vorhergehenden Unteranspruch stellt es einen weiteren Vorteil dar, dass die Stirnverzahnung mit einem definierten Flankenwinkel zwischen den Zahnflanken gefertigt ist. Dadurch kann die Verkürzung der Schaltzeit noch weitergehend unterstützt werden, weil bei einer stirnseitigen Verzahnung mit abgeschrägten Zahnflanken diese beim Trennen der Kupplung nahezu sofort aus den Lücken ausrücken und mit letzterem unmittelbar darauf schon einen Spalt bilden. Der genau definierte Flankenwinkel muss bei allen Zähnen und Lücken gleich sein, damit die Verzahnungen der beiden drehbeweglichen Kupplungsmuffen in jeder Position ineinandergreifen können und die Kupplung auch aus dem Stillstand jederzeit wieder in den eingerückten Zustand überführt werden kann. Außerdem lässt sich eine Verzahnung mit gleichbleibend dimensionierten Zähnen kostengünstig und rationell fertigen.

In einer weitergehenden Verbesserung sind die Werte des definierten Flankenwinkels zwischen den Zahnflanken größer als 0° und kleiner als 90°. Diese beiden Werte scheiden für die praktische Anwendung in Verzahnungen aus; sie sind der Reibkupplung und der einfachen Klauenkupplung als den beiden Grenzfällen einer Kupplung zuzuordnen.

Technisch praktikable Werte für den Flankenwinkel der Verzahnungen liegen in der Regel zwischen 60° und 30°, jedoch können für Spezialfäl-Ie auch andere Winkel sinnvoll sein. Bei der W^rahl des Flankenwinkels ist sorgfältig darauf zu achten, dass auf keinen Fall eine Selbsthemmung der Verzahnung auftreten kann.

Des weiteren wird als ein weiterer Vorteil der Erfindung dargestellt, wenn die Zähne der beiden Kupplungsmuffen mit Planverzahnung gefertigt sind. Die Planverzahnung garantiert, dass die ineinandergreifenden Zähne und Flanken auf ihrer ganzen Flankenfläche aneinander

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anliegen, damit für die Kraft- und Momentübertragung eine maximale Fläche zur Verfügung steht. Außerdem unterstützt sie beim Schließen der Kupplung die selbsttätige Zentrierung der beiden Kupplungsmuffen ineinander, indem die Flankenflächen der Lücken als Gleitebenen für die Zähne dienen und umgekehrt.

Einen weiteren Vorteil erhält man, wenn die mit ihren Profilen formschlüssig ineinandergreifenden Kupplungsmuffen durch den Faltenbalg axial vorgespannt sind. Durch diese Ausgestaltung wird zum einen die Selbstzentrierung zusätzlich unterstützt und verstärkt. Zum anderen federt der in axialer Richtung flexible Faltenbalg alle in dieser Richtung verlaufenden Schwingungen sowie axial wirkende Komponenten von Drehmoment- und Geschwindigkeitsstößen ab, so dass sie sich nicht wesentlich auf die Wellen und Lager auswirken und diese schädigen können.

Eine an der Kupplungsmuffe angebrachte Hülse oder Stift ist vorteilhafterweise zusammen mit der zur gleichen Kupplungshälfte gehörenden Nabe als Axialanschlag für die maximal zulässige Stauchung des Metallbalgs ausgebildet. Dadurch werden die Auswirkungen der oben genannten Schwingungen und Stöße auf die Flexibilität des Faltenbalgs begrenzt, der bei einer zu starken Stauchung zunehmend an Flexibilität verliert und dann den axialen, radialen sowie winkligen Wellenversatz nicht mehr genügend ausgleichen kann und eventuell irgendwann versagt. Außerdem dient der Axialschlag als Lehre dafür, wie die Vorspannung des Faltenbalges beim Einbau zu dosieren ist und hilft Montagefehler zu vermeiden.

Der letzte beschriebene Vorteil der Kupplung ist in einer Ausführungsform verwirklicht, bei der das Übertragungselement symmetrisch aufge-

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baut ist und zwei Faltenbälge enthält, die mit dem einen Ende an einer Nabe und mit dem anderen Ende an einer Kupplungsmuffe angebracht sind, und bei dem die beiden Kupplungsmuffen mit ihren Profilen formschlüssig ineinandergreifen. Durch diesen symmetrischen Aufbau der Kupplung werden Drehmoment- und Geschwindigkeitsstöße auf die beiden Wellen und die Kupplungsmuffen nach beiden Seiten optimal gedämpft.

Außerdem können durch die größere Länge des Faltenbalges ein stärkerer axialer, radialer sowie winkliger Wellenversatz ausgeglichen werden. Ein weiterer Vorteil stellt die Vereinfachung der Produktion und die Verringerung der Herstellungskosten dar, wenn wegen des symmetrischen Aufbaues des Bauteiles nur noch ein Teil gefertigt werden muss.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft genauer erläutert ist. In der beiliegenden Figur wird eine unsymmetrische Ausführungsform im Schnitt bzw. in der Seitenansicht gezeigt, bei der nur auf einer Seite ein Faltenbalg eingebaut ist, während auf der anderen Seite die Kupplungsmuffe direkt in die Klemmnabe integriert ist. Deutlich ist diese Klemmnabe (1), die mit einer klauenförmigen, mit abgeschrägten Flanken versehenen Verzahnung (6) sowie einer am wellenseitigen Ende eingelassenen Befestigungsschraube (5) ausgestattet ist, zu erkennen. Außerdem wird die andere Klernmnabe (4), an der der Faltenbalg aus Metall direkt angebracht ist, mit der dazugehörenden, am wellenseitigen Ende eingelassenen Befestigungsschraube (5) gezeigt. Der Metallbalg (3) verbindet diese Nabe mit einer Kupplungsmuf-

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fe (2), die mit derselben klauenförmigen, mit abschrägten Flanken versehenen Verzahnung (6) ausgestattet ist wie die entgegengesetzt angeordnete Klemmnabe (1). In dem als Schnitt ausgeführten Teil der
Zeichnung ist auch der Axialanschlag (7) dargestellt, der im Inneren des Faltenbalges angeordnet ist und aus einer Hülse besteht, die von der mit dem Faltenbalg verbundenen Kupplungsmuffe ausgeht und bei einer zu starken Stauchung des Faltenbalges gegen die Klemmnabe (4) stößt.

Claims

1. Kupplung für die Verbindung zweier koaxialer Wellen, bestehend aus zwei Naben und einem Übertragungselement, wobei jede Nabe am Ende einer Welle befestigt ist und die beiden Naben durch das Übertragungselement, das einen zylindrischen Faltenbalg mit umlaufenden Falten aufweist, miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass

- das Übertragungselement zusätzlich zu mindestens einem Faltenbalg noch aus zwei Kupplungsmuffen besteht,

- die beiden Kupplungsmuffen lösbar miteinander verbunden sind,

- der Faltenbalg mit einem Ende an einer Kupplungsmuffe und mit dem anderen Ende an einer Nabe angebracht ist.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Naben als Klemmnaben ausgeführt sind.

3. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faltenbalg in Umfangsrichtung torsionssteif ist.

4. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faltenbalg aus Metall gefertigt ist.

5. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kupplungsmuffen durch formschlüssig ineinandergreifende Profile in axialer Richtung lösbar miteinander verbunden sind.

6. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile klauenförmig gestaltet sind.

7. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile auf der planen Stirnseite der Kupplungsmuffen bei konstantem Radius am Umfang angeordnet sind.

8. Kupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die plane Stirnseite der Kupplungsmuffen durch die am Umfang angeordneten Profile im Querschnitt in gleichgroße Kreissegmente unterteilt ist.

9. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profile in axialer Richtung als Stirnverzahnung mit konzentrisch angeordneten Zähnen bzw. Lücken ausgebildet sind.

10. Kupplung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnverzahnung mit einem definierten Flankenwinkel zwischen den Zahnflanken gefertigt ist.

11. Kupplung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Werte des definierten Flankenwinkels zwischen den Zahnflanken größer als 0° und kleiner als 90° sind.

12. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne der beiden Kupplungsmuffen mit Planverzahnung gefertigt sind.

13. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit ihren Profilen formschlüssig ineinandergreifenden Kupplungsmuffen durch den Faltenbalg axial vorgespannt sind.

14. Kupplung nach einem der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Kupplungsmuffe angebrachte Hülse zusammen mit der zur gleichen Kupplungshälfte gehörenden Nabe als Axialanschlag für die maximal zulässige Stauchung des Metallbalgs ausgebildet ist.

15. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragungselement symmetrisch aufgebaut ist und zwei Faltenbälge enthält, die mit dem einen Ende an einer Nabe und mit dem anderen Ende an einer Kupplungsmuffe angeracht sind, und bei dem die beiden Kupplungsmuffen mit ihren Profilen formschlüssig ineinander greifen.