DE3007460C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf elastische Kupplungen und geht aus von einer elastischen oder flexiblen Kupplung zur Drehmomentübertragung von einem Antriebsteil auf ein angetriebenes Teil, d. h. Abtriebsteil, wie es aus der DE-OS 24 17 749 bekannt ist.

Eine elastische, schnellaufende Kupplungswelle wird häufig in Verbindung mit einem Antriebssystem benutzt, um ein Wellendrehmoment auf eine Last zu übertragen. Eine solche Welle kann beispielsweise in Verbindung mit der Antriebstur­ bine eines Schiffs- oder Industriegasturbinenwerks be­ nutzt werden, um ein Drehmoment zu übertragen, beispielsweise auf ein Schiffspropelleruntersetzungsgetriebe oder auf die Laufradwelle einer Pumpe. Eine elastische, schnellaufende Kupplungswelle ist in solchen Fällen vorteilhaft, weil sie axiale, parallel verschobene und schräge Antriebssystem/ Untersetzungsgetriebe-Positionsversetzungen kompensiert und dabei das Wellendrehmoment auf die Last überträgt und die Axialbelastung so begrenzt, daß sie den Axialwälzlagern kompatibel ist.

Eine solche bekannte elastische, schnellaufende Kupplungswelle, die gegenwärtig in Verbindung mit einem Schiffsgasturbinenantriebs­ system benutzt wird, besteht aus einem Distanzstück, das an seinem vorderen oder antreibenden Ende durch eine elastische Doppelscheibenkupplung abgestützt ist, welche an einem Antriebs­ teil befestigt ist. Das hintere oder angetriebene Ende des Di­ stanzstückes ist durch eine zweite elastische Doppelscheiben­ kupplung abgestützt, die ihrerseits an einem angetriebenen Teil befestigt ist. Eine Kolbenringdämpferanordnung ist mit der hinteren elastischen Kupplung verbunden, um axiale Ausbiegun­ gen zu dämpfen, und Ausbiegungsbegrenzungsringe sind umfangs­ mäßig um jede Kupplung angeordnet, um Ausbiegungen aufgrund radialer Stoßkräfte zu begrenzen. Die Axialresonanzfrequenz ei­ nes solchen Feder/Masse-Systems einer elastischen, schnellau­ fenden Kupplungswelle ist von den Axialfederkonstanten der Kupp­ lung und von dem durch die Kupplung abgestützten Gewicht des Distanzstückes abhängig und liegt im allgemeinen in dem Be­ reich von 18 bis 25 Hz.

Die oben beschriebene elastische, schnellaufende Kupplungswel­ le arbeitet zwar bei Hochseeschiffen zufriedenstellend, sie hat sich jedoch als ungeeignet für die Benutzung in Küstenschiffen erwiesen, d. h. in Schiffen, die hauptsächlich in seichten Ge­ wässern operieren. Solche Küstenschiffe haben im allgemeinen Schrauben mit kleinerem Durchmesser, die sich schneller drehen als die von Hochseeschiffen. Die kleineren, schnelleren Propel­ ler ergeben Flügeldurchgangsfrequenzen, die sich dem kritischen Axialresonanzfrequenzbereich des bekannten Feder/Masse-Systems der elastischen, schnellaufenden Kupplung nähern und in die­ sen Bereich fallen. Darüber hinaus hat es sich gezeigt, daß die bekannte Kolbenringaxialausbiegungsdämpferanordnung Verschleiß ausgesetzt ist, der sie schließlich unwirksam machen kann.

Auch weitere aus dem Stand der Technik bekannte elastische Kupplungen sind weder für sich genommen noch in möglichen Kombinationen für den erläuterten Zweck geeignet. So offen­ bart die eingangs erwähnte DE-OS 24 17 749 eine elastische Kupplung für Gasturbinentriebwerkswellen mit zwei Flanschen oder Zwischenwänden, von dene eine mit dem Antriebsteil und die andere mit dem Abtriebsteil verbunden ist und die jeweils von der Innenwandung der zugehörigen Welle einwärts ragen. Ein Bolzen, der als axialer Teil der turbinenseitigen größeren Zwischenwand ausgebildet ist und an dessen einem Getriebe zu­ gewandten Ende ein Gewinde zur Verbindung mit der anderen Zwischenwand vorgesehen ist, fixiert die beiden Zwischenwan­ dungen in bezug aufeinander. Eine flexible Membran ist mit ihrem radial inneren Rand mit der Getriebeeingangswelle ver­ bunden und damit ein sich radial nach außen erstreckender Teil dieser Welle, dessen radial äußerer Rand mit der Antriebswelle und der zugehörigen Zwischenwand verbunden ist. Durch gegen­ seitige Überbrückung des Bolzens und der Membran ist zwar bei der Möglichkeit, sowohl Schubkräfte als auch Drehmomente zu übertragen, eine ausreichende Flexibilität für Achsver­ schiebungen gewährleistet, jedoch fehlen spezielle Dämpfungs­ maßnahmen für axiale oder radiale Ausbiegungen.

Dies gilt auch für die folgenden bekannten Kupplungen. In der Kupplung der DE-OS 19 58 374 ist lediglich eine Doppelmembran mit zwei sich radial erstreckenden Membranteilen offenbart, die unmittelbar an Befestigungsteilen der jeweiligen Wellen angebracht sind und im mittleren Teil miteinander verschweißt sind. Die drehsteifen Membranteile ermöglichen lediglich eine axiale Verformung während Drehbewegungen der Kupplung.

Die in der DE-OS 16 75 255 gezeigte flexible Kupplung umfaßt lamellenartige, flexible Verbindungsglieder, die an von den Naben der zu kuppelnden Wellen radial abstehenden Flanschen befestigt sind und diese zusammenkuppeln. Um eine axiale Relativbewegung zwischen den Naben vollständig zu verhindern, sind die beiden Ende einer Hohlwelle unmittelbar in diesen Naben befestigt. An den Fixierungseinrichtungen für die Ver­ bindungsglieder sind ferner nicht weiter erläuterte Axial­ flansche ober- und unterhalb der Hohlwelle vorgesehen. Zwischenwände oder Membranen sind in dieser Kupplung gar nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte elastische Kupplung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die die Probleme hinsichtlich der Axialresonanzfrequenz der Kupplung löst sowie einfache Dämpfungsmaßnahmen beinhaltet.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung schafft eine verbesserte elastische Kupplung mit zwei Zwischenwänden oder Diaphragmen, zwischen denen ein ringförmiges, elastisches Kupplungsteil angeordnet ist. Das elastische Kupplungsteil hat zwei sich radial erstrecken­ de Scheiben. Die erste Scheibe ist mit der einen Zwischen­ wand und die andere Scheibe mit der anderen Zwischenwand verbunden. Ferner ist eine Vorrichtung, z. B. in Form eines Verankerungs- oder Zugbolzens zum Vergrößern der Axial­ steifigkeit der elastischen Kupplung unter Aufrechterhaltung der Fluchtverschiebungsmöglichkeit vorgesehen.

Durch die erfindungsgemäßen Kupplungsteile wird einerseits sichergestellt, daß eine gleichförmige Drehschubspannung aufrechterhalten wird und eine im wesentlichen gleichförmige axiale Biegespannung auftritt. Andererseits wird praktisch das gesamte Drehmoment über das elastische Kupplungsteil übertragen, und die axiale Resonanzfrequenz der Kupplung ist im erforderlichen Maße durch den Zugbolzen erhöht. Darüber hinaus wirken die erfindungsgemäßen Flansche, die sich jeweils von den Zwischenwänden erstrecken und einander überlappen, als Dämpfer, da sie sich axial zueinander verstellen können.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine elastische, schnel­ laufende Kupplung, die eine Ausführungsform der Erfindung darstellt,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des vorderen Endes der in Fig. 1 gezeigten Kupplung, und

Fig. 3 eine Reihe von Charakterisierungen der verschiedenen Versetzungen der in Fig. 1 gezeigten Welle.

In der Zeichnung, in der gleiche Teile gleiche Bezugszahlen tragen, zeigt Fig. 1 eine Antriebswelle oder elastische, schnellaufende Kupplungswelle, die insgesamt mit 10 bezeich­ net ist und eine Ausführungsform der Erfindung aufweist. Die Welle 10 wird in dieser Ausführungsform benutzt, um Drehmoment von der Antriebsturbinenabtriebswelle über ein vorderes An­ schlußteil 60 eines Schiffsgasturbinentriebwerks (nicht ge­ zeigt) auf das Propellerwellenuntersetzungsgetriebe eines Kü­ stenschiffes (nicht gezeigt) über das Teil 13 zu übertragen. Es ist jedoch klar, daß die oben angegebene besondere Verwen­ dung der Welle in dieser Ausführungsform nicht als Beschrän­ kung der Erfindung zu verstehen ist, denn diese könnte gleichermaßen sowohl für jeden anderen geeigneten Zweck oder für jede andere geeignete Art von Antriebssystem, beispiels­ weise für einen Dieselmotor, als auch in Verbindung mit jedem anderen geeigneten Endzweck, beispielsweise zur Drehmoment­ übertragung auf die Laufradwelle einer Pumpe, benutzt werden.

Die Welle 10 besteht aus einem ringförmigen Distanzstück 12, das an seinem vorderen und an seinem hinteren Ende durch elastische Kupplungen 14 bzw. 16 abgestützt ist. (Der hier be­ nutzte Ausdruck "vorderes" soll links und "hinteres" soll rechts in den Figuren bedeuten.)

Die hintere elastische Kupplung 16, die für die bekannten elastischen Doppelscheibenkupplungen, welche oben beschrieben worden sind, typisch ist, besteht aus einem elastischen Kupp­ lungsteil 18, das zwei kreisringförmige Scheiben 20 und 22 auf­ weist, die sich von ihm aus radial nach außen erstrecken. Ein Ringflansch 24 an dem radial äußeren Ende der ersten Scheibe 20 ist durch mehrere Schrauben und Sicherungsmuttern 26 bzw. 28 (von denen der Übersichtlichkeit halber nur ein Paar ge­ zeigt ist) mit einem radial ausgerichteten Ringflansch 30 am hinteren Ende des Distanzstückes 12 verbunden. Ebenso ist ein Ringflansch 32 an dem radial äußeren Ende der zweiten Scheibe 22 in gleicher Weise durch mehrere Schrauben und Sicherungs­ muttern 34 und 36 (von denen wieder nur ein Paar gezeigt ist) mit einem radial ausgerichteten Ringflansch 38 am vorderen En­ de eines ringförmigen, hinteren Adapterteils 40 verbunden. Das hintere Anschlußteil 40 ist seinerseits über das Teil 13 mit dem Schiffspropelleruntersetzungsgetriebe (nicht gezeigt) verbunden.

Ein kreisförmiger Ausbiegungsbegrenzungsring 42 ist eben­ falls mit dem hinteren Anschlußteil 40 durch Schrauben 34 und Sicherungsmuttern 36 verbunden. Der Ausbiegungsbegrenzungsring 42 hat einen ringförmigen Lippenteil 44, der sich von dem hin­ teren Anschlußteil 40 aus längs der radial äußeren Enden des Distanzstückflansches 30 und der Scheibenflansch 23 und 32 der hinteren Kupplung axial nach vorn erstreckt. Ein klei­ ner ringförmiger Spalt 46 mit einer vorbestimmten Größe wird zwischen dem inneren Durchmesser des Ausbiegungsbegrenzungs­ ringlippenteils 44 und dem äußeren Durchmesser der Kombina­ tion aus dem Distanzstückflansch 30 und dem Flansch 24 der er­ sten Kupplungsscheibe aufrechterhalten. Der Ausbiegungsbegren­ zungsring 42 dient dem Zweck, die radiale (oder seitliche) Ausbiegung des hinteren Endes des Distanzstückes 12 (die bei­ spielsweise durch eine hohe radiale Stoßbelastung verursacht werden kann) auf die kleine vorbestimmte Länge des Ringspalts 46 zu begrenzen. Die bis hierher beschriebene elastische Kupp­ lung 16 reicht im wesentlichen der elastischen Doppelschei­ benkupplung der oben beschriebenen bekannten schnellaufenden Kupplungswelle.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die vordere elastische Kupplung 14, die eine Ausführungsform der Erfindung aufweist. Die vordere elastische Kupplung 14 besteht aus zwei Ausbiegungsbegrenzungs­ zwischenwänden oder -federplatten 48 und 50. Die axiale Dicke der Zwischenwände 48 oder 50 ist in ihren radialen Mittelab­ schnitten insgesamt gleichförmig und nimmt mit zunehmender radialer Entfernung allmählich ab, so daß eine insgesamt gleichförmige Drehschubspannung aufgrund des Wellendrehmo­ ments aufrechterhalten wird und eine im wesentlichen gleichför­ mige axiale Biegespannung auftritt. Die erste oder vordere Zwischenwand 48 hat an ihrem radial äußeren Ende einen radial gerichteten Flanschteil 52, der durch mehrere Schrauben und Sicherungsmuttern 54 bzw. 56 mit einem radial gerichteten, ringförmigen Flansch 58 an dem hinteren Ende des vorderen Adapter- oder Antriebsteils 60 verbunden ist. Das vordere An­ schlußteil 60 ist seinerseits mit der Antriebsturbinenabtriebs­ welle des Gasturbinentriebwerks (nicht gezeigt) verbunden. Ebenso hat die zweite oder hintere Zwischenwand 50 an ihrem radial äußeren Ende einen radial gerichteten, ringförmigen Flanschteil 62, der ebenfalls durch mehrere Schrauben und Si­ cherungsmuttern 64 bzw. 66 mit einem radial gerichteten, ring­ förmigen Flansch 68 an dem vorderen Ende des Distanzstückes 12 verbunden ist.

Ein flexibles, ringförmiges Kupplungsteil 70 ist axial zwi­ schen den Zwischenwänden 48 und 50 angeordnet. Das Kupplungs­ teil 70, das im wesentlichen dem hinteren flexiblen Kupplungs­ teil 18 gleicht, hat zwei ringförmige Scheiben 72 und 74, die sich von ihm radial nach außen erstrecken. Ein Ringflansch 76 an dem radial äußeren Ende der Scheibe 72 ist durch die Schrauben und Sicherungsmuttern 54 bzw. 56 mit dem Flansch­ teil 52 der vorderen Zwischenwand und mit dem Flansch 58 des vorderen Anschlußteils verbunden. Ebenso ist ein Ringflansch 78 an dem radial äußeren Ende der Scheibe 74 durch die Schrau­ ben und Sicherungsmuttern 64 bzw. 66 mit dem Flanschteil 62 und mit dem vorderen Distanzstückflansch 68 verbunden.

Zum Anheben der Axialresonanzfrequenz der elastischen, schnel­ laufenden Kupplungswelle 10 ist es erforderlich, die axiale Steifigkeit der elastischen Kupplung 14 zu vergrößern. Dieses Ziel wird durch eine Vorrichtung 80, die in dieser Ausführungsform einen Verankerungs- oder Zugbolzen aufweist, zum Aufrechterhalten eines im wesentlichen konstanten axialen Abstandes zwischen den radialen Mittelpunkten der Zwischenwände 48 und 50 erreicht. Der Zug­ bolzen 80 hat zwei ringförmige Vorsprünge 82 und 84, die an den radialen Mittelteilen der Zwischenwände 48 und 50 anliegen und diese daran hindern, axial zusammenzulaufen. Der Zugbolzen 80 hat außerdem Gewindeschäfte kleineren Durchmessers an jedem Ende 86 und 88. Die Gewindeschäfte 86 und 88 des Zugbolzens 80 erstrecken sich durch geeignet bemessene, axial ausgerichtete Öffnungen 90 und 92 in den radialen Mittelteilen der Zwischen­ wände 48 und 50. Vorrichtungen, beispielsweise Sicherungsmut­ tern 94 und 96, sind auf die Zugbolzenschäfte 86 und 88 aufge­ schraubt und festgezogen, um zu verhindern, daß die radialen Mittelteile der Zwischenwände 48 und 50 axial auseinanderlau­ fen. Der Zugbolzen 80 hindert somit die vordere elastische Kupplung 14 an jedweder axialen Ausbiegung, um die Axialstei­ figkeit der elastischen Kupplung 14 zu vergrößern, und hält gleichzeitig einen hohen Grad an Fluchtverschiebungsmöglich­ keit aufrecht, was im folgenden noch näher beschrieben ist.

Das Wellendrehmoment wird über die vordere elastische Kupp­ lung 14 längs des Belastungsweges von den vorderen Schrau­ ben 54 am Außendurchmesser übertragen, wobei eine Drehmo­ mentaufteilung zwischen dem flexiblen Kupplungsteil 70 und der Anordnung aus den Zwischenwänden 48 und 50 und dem Zug­ bolzen 80 erfolgt und das Drehmoment wieder an den hinteren Schrauben 64 am äußeren Umfang zusammengeführt wird. Das Verhältnis der Drehmomentaufteilung zwischen dem elastischen Kupplungsteil 70 und der Anordnung aus den Zwischenwänden 48 und 50 und dem Zugbolzen 80 ist von dem Verhältnis des Dreh­ biegungsvermögens des elastischen Kupplungsteiles zu dem Dreh­ biegungsvermögen des Zugbolzens abhängig. (Diese Torrosionsflexi­ bilität ist eine Funktion der axialen Länge eines Teils über dessen Querschnittsdurchmesser und wird in Einheiten von rad/ 1,33 Nm (rad/ft-1b) gemessen.) Da die axiale Länge des Zug­ bolzens 80 gegenüber der axialen Länge des elastischen Kupp­ lungsteils 70 groß ist (ungefähr 3 : 1) und da der Durchmesser des Zugbolzens 80 gegenüber dem Durchmesser des elastischen Kupplungsteils 70 klein ist (ungefähr 1 : 4), hat der Zugbolzen 80 ein viel größeres Drehbiegungsvermögen als das elastische Kupplungsteil 70. Deshalb wird praktisch das gesamte Drehmo­ ment über das elastische Kupplungsteil 70 übertragen.

Die flexible schnellaufende Kupplungswelle 10 kann außerdem axiale, parallel verschobene und schräge oder Winkelverset­ zungen kompensieren und die Drehmomentbelastungen übertragen. Fig. 3 zeigt, wie die Welle 10 die verschiedenen Arten von Ver­ setzungen gestattet. Fig. 3A zeigt die Welle 10, wenn eine vollkommene Ausrichtung oder Flucht zwischen dem Gasturbinen­ triebwerk (d. h. dem Antriebssystem) und dem Untersetzungsge­ triebe besteht. Fig. 3B zeigt eine reine Axialversetzungssi­ tuation, in der die vordere elastische Kupplung 14 an jedwe­ der axialen Auslenkung gehindert wird, wodurch die gesamte Axialversetzung auf die Biegung der hinteren elastischen Kupp­ lung 16 verlagert wird. Fig. 3C zeigt das Ergebnis einer pa­ rallel verschobenen Versetzung. Die Ergebnisse einer An­ triebssystemwinkelversetzung und einer Untersetzungsgetriebe­ versetzung sind in den Fig. 3D bzw. 3E gezeigt. Kombinatio­ nen der verschiedenen Typen von Versetzungen, beispielsweise eine Antriebssystemwinkelversetzung in Kombination mit einer parallel verschobenen (parallel offset) Versetzung des Unter­ setzungsgetriebes werden in gleicher Weise kompensiert.

Gemäß den Fig. 1 und 2 hat die vordere Zwischenwand 48 einen zylinderartigen Ringflansch 98, der sich axial nach hinten er­ streckt und einen Teil des Zugbolzens 80 umgibt. Für Zwecke, die aus den folgenden Darlegungen deutlich werden, hat ein Teil des hinteren Endes des Flansches 98 einen größeren In­ nendurchmesser 100.

Ebenso weist die hintere Zwischenwand 50 einen zylinderarti­ gen Ringflansch 102 auf, der im wesentlichen denselben Durch­ messer wie der Flansch 98 hat, sich aber axial nach vorn er­ streckt. Ein Teil des vorderen Endes des Flansches 102 hat ei­ nen kleineren Außendurchmesser 104, so daß die beiden Flan­ sche 98 und 102 einander überlappen. Eine kleine ringförmige Lippe 106 erstreckt sich von dem axial vorderen Ende des Flansches 102 radial nach außen und berührt den Innenumfang des Flansches 98 der vorderen Zwischenwand. Die Berührungsstel­ le zwischen den beiden Flanschen 98 und 102 liegt im wesent­ lichen in der Mitte zwischen den beiden Zwischenwänden 48 und 50.

Der Zweck der vorstehend beschriebenen Zwischenwandflansche 98 und 102 besteht darin, einen Dämpfer zu bilden, durch den die radiale (seitliche) Auslenkung des vorderen Endes des Di­ stanzstückes 12 begrenzt wird. Dieser Dämpfer dient daher dem­ selben Zweck wie der Ausbiegungsbegrenzungsring 42, der der hinteren elastischen Kupplung 16 zugeordnet ist. Die radial äußere Fläche der ringförmigen Lippe 106 ist abgerundet, damit schräge oder Winkelausbiegungen der elastischen Kupplung 14 möglich sind, ohne daß es zu einer unerwünschten Dämpferbe­ rührung kommt.

Claims (3)

1. Elastische Kupplung zur Drehmomentübertragung von An­ triebsteil zu Antriebsteil, aufweisend eine erste Zwischen­ wand, die mit dem Antriebsteil verbunden ist, und eine zweite Zwischenwand, die mit dem Abtriebsteil verbunden ist, dadurch gekennzeichnet,
daß ein ringförmiges, elastisches Kupplungsteil (70) vorgesehen ist, das axial zwischen den Zwischenwänden (48, 50) liegt und zwei sich radial erstreckende Scheiben (72, 74) aufweist, von denen eine mit der einen Zwischenwand und die andere mit der anderen Zwischenwand verbunden ist;
daß eine Vorrichtung (80) zum Vergrößern der Axial­ steifigkeit der elastischen Kupplung (14) unter Aufrecht­ erhaltung der Fluchtversetzungsmöglichkeit vorgesehen ist; und
daß die erste Zwischenwand (48) einen ersten, axial von hier aus vorstehenden Ringflansch (98) aufweist, daß die zweiten Zwischenwand (50) einen zweiten, axial von ihr aus vorstehenden Ringflansch (102) aufweist und daß die Flansche einander überlappen und einander an einer axialen Stelle berühren, die im wesentlichen in der Mitte zwischen den Zwischenwänden liegt.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (80) aus einem Zugbolzen besteht, der sich durch den radialen Mittelpunkt jeder Zwischenwand (48, 50) erstreckt und zwei runde Vorsprünge (82, 84) aufweist, um zu verhindern, daß die radialen Mittelpunkte der Zwi­ schenwände axial zusammenlaufen, und Vorrichtungen (94, 96) zum Befestigen seiner axialen Enden an den Zwischenwänden, um zu verhindern, daß die radialen Mittelpunkte der Zwischenwände axial auseinanderlaufen.

3. Kupplung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Flansche (98, 102) eine abgerundete Fläche (106) an seiner Berührungsstelle mit dem anderen Flansch aufweist.