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Kupplung zum Herstellen einer drehfesten Verbindung
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Die Erfindung betrifft eine Kupplung zum Herstellen einer drehfesten
Verbindung zwischen einem Ubertragungsglied und einer An- bzw. Abtriebswelle, mit
einer auf der Welle oder in einer Bohrung des Ubertragungsgliedes aufgebrachten
Schlingfeder.
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Bei vielen Anwendungsfällen ist es notwendig, ein An- bzw. Abtriebselement
wie Zahnräder, Riemenscheiben, Reibrollen usw. mit einer Welle in eine drehfeste
Verbindung zu bringen. Zu diesem Zweck werden die im folgenden kurz Triebelemente
genannten An- bzw. Abtriebselemente durch Stifte, Bolzen, Schrauben etc. mit der
Welle verbunden. Dabei muß in der Welle eine Ausnehmung oder gar ein Gewinde vorgesehen
werden. Bei gehärteten Wellen ist es oft sehr mühsam, diese Ausnehmung in die Welle
einzubringen. Außerdem kann die Welle durch die Ausnehmung geschwächt werden, wobei
ihre Funktion beeinträchtigt werden kann. Schließlich ist auch die Montage erschwert.
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In umgekehrter Weise kann es auch vorkommen, daß die Ausnehmung in
der Welle unproblematisch ist, daß aber an dem Triebelement kein Verbindungselement
angebracht werden kann oder soll.
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Allgemeines Ziel der Erfindug war es daher, eine Verbindung zwischen
Triebelement und Welle ohne mechanische Bearbeitung der Welle oder des Triebelementes
zu schaffen. Eine solche Verbindung ist beispielsweise unter dem Begriff Schlingfederkupplung
bekannt, wie sie in den Werken über Feinmechanische Bauelemente (Hildebrand, Richter
und Voss) beschrieben sind. Der Nachteil dieser bekannten Schlingfederkupplungen
ist aber darin zu sehen, daß eine drehfeste Verbindung immer nur in einer Drehrichtung
des Triebelementes bzw. der Welle wirkt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Kupplung der eingangs genannten
Art zu schaffen, bei welcher das Ubertragungsglied für jede Drehrichtung drehfest
mit der Welle verbunden ist.
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Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 oder 9
aufgeführten Mittel gelöst.
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Mit der Erfindung wird in beiden Fällen erreicht, daß eine Bearbeitung
der Welle bzw. des Triebelementes nicht mehr notwendig ist und das Ubertragungsglied
mit der oder den passenden Schlingfedern lediglich auf die Welle auf- oder in die
Nabe des Triebelementes eingeschoben zu werden braucht. Die Größe der möglichen
übertragbaren Drehmomente läßt sich durch die Anzahl der Schlingfedergänge bzw.
die Drahtstärke der Schlingfeder festlegen.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen im Zusammenhang mit der Beschreibung von Ausführungsbeispielen,
die anhand von Figuren eingehend erläutert werden. Es zeigen:
Fig.
la eine perspektivische Ansicht in Explosionsdarstellung einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Kupplung; Fig. lb eine perspektivische Ansicht der in Fig.
la dargestellten Kupplung im zusammengebauten Zustand; Fig. 2 eine perspektivische
Ansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 eine Seitenansicht der
in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform; Fig. 4 eine Seitenansicht einer abgewandelten
Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3; Fig. 5 einen Querschnitt durch eine dritte
Ausführungsform der Erfindung in Explosionsdarstellung; Fig. 6 eine Seitenansicht
einer Kupplungsschalenhälfte nach Fig. 5 mit eingelegter Schlingfeder; Fig. 7 eine
vierte Ausführungsform der Erfindung zum Teil im Schnitt; Fig. 8 einen Querschnitt
durch eine fünfte Ausführungsform der Erfindung; Fig. 9 eine Querschnitt durch eine
sechste Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 10 einen Querschnitt durch eine
siebte Ausführungsform der Erfindung.
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In Fig. la ist mit 1 ein Ubertragungsglied in Form einer zylindrischen
Rolle bezeichnet, das eine durchgehende Bohrung 2 und an den Stirnseiten
Vorsprünge
3 aufweist. Die zylindrische Rolle kann zweckmäßigerweise aus einem leichten Kunststoff
sein, wobei die Mantelfläche für eine form-oder kraftschlüssige Drehmomentübertragung
ausgebildet sein kann. Auf jede Stirnseite des Rollenkörpers 1 ist eine runde Platte
4 aus festem Material aufgesetzt, welche mit den Vorsprüngen 3 des Ubertragungsgliedes
1 fluchtende Bohrungen 4a und eine Mittelbohrung 4b aufweist, in welcher außerdem
ein Radialschlitz 4c ausgeformt ist. Die Platten 4 sind aus festem Materials, beispielsweise
aus Metall, und dienen der Aufnahme der Enden 6 einer Schlingfeder 5.
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Im zusammengesetzten Zustand (Fig. lb) ist die Feder 6 in die Bohrung
2 des Ubertragungsgliedes 1 eingeführt und jedes ihrer Enden 6 liegt jeweils in
einem Radialschlitz 4c der Platten 4. Der Radialschlitz hat dabei eine noch festzulegende
Breite, die zwischen einigen Minunten und knapp unter 3600 liegen kann.
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Im Betrieb braucht nun das mit der Kupplung 4 bis 6 versehene Ubertragungsglied
1 lediglich auf eine Welle 7, die beispielsweise mit einem Antrieb 8 in Verbindung
stehen kann, aufgeschoben zu werden. Bei einer Drehung der Welle 7 gegen den Uhrzeigersinn
wird das in Fig. la rechts liegende Ende 6 der Feder 5 durch den Radialschlitz 4c
mitgenommen, wogegen bei einer Drehung im Uhrzeigersinn das links liegende Ende
6 mitgenommen wird. Durch die Mitnahme der jeweiligen Enden 6 schlingt sich die
Feder 5 um die Antriebswelle 7 und es besteht damit eine drehfeste Verbindung zwischen
Ubertragungsglied 1 und Welle 7. Der Radialschlitz hat hierbei eine Breite, die
gleich oder größer ist, als der elastische Einleitungsweg der Welle oder des Ubertragungsgliedes,
der notwendig ist, bis das eingeleitete Drehmoment des einen Teils die Mitnahme
des anderen Teils bewirkt hat.
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In den Fig. 2 und 3 ist eine Alternative zu der Ausführungsform nach
Fig. la und lb gezeigt, welche einem weichen Beginn und Enden der Kraftübertragung
dient.
Das Ubertragungsglied 11 kann dabei aus zwei Schalen lla und lib bestehen, an deren
nach außen weisenden Stirnseiten Vorsprünge 13 angebracht sind. Die Schlingfeder
15 befindet sich im Inneren der beiden Halbschalen lla und lib und ihre Enden 16
sind durch die Bohrungen 12 in den Halbschalen nach außen geführt. Die Enden-16
erstrecken sich radaial nach außen und sind halbkreisförmig umgebogen, derart, daß
sie an einem der Vorsprünge 13 eingehängt können.
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Die Wirkungsweise dieser Ausführungsform ist im wesentlichen gleich
zu der nach den Fig la und lb. Durch die längeren Enden in radialer Richtung wird
allerdings noch bewirkt, daß zu Beginn einer Drehbewegung von Welle oder Ubertragungsglied
der federnde Arm des Endes 16 noch nachgibt und die volle Drehmomentübertragung
beispielsweise erst nach 5 bis 20 Winkelgraden einsetzt, welche bei dem Beispiel
nach Fig. la und b bereits nach etwa 1 bis 2° erfolgte.
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Dieser Effekt kann dadurch noch vergrößert werden, daß, wie in Fig.
2 zu sehen ist, die äußeren Wicklungen der Schlingfeder 15 zu den Enden 16 hin größer
werden. Damit kann je nach Anzahl der größer werdenden Windungen der Kupplungseinsatz
von 200 bis 900 und mehr variiert werden.
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In Fig. 4 ist eine Variante zu der in den Fig. 2 und 3 dargestellten
Ausführungsform wiedergegeben, welche eine Drehmomentbegrenzung darstellt.
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Zu diesem Zweck ist an der Stirnseite des Ubertragungsgliedes 11 eine
Scheibe 17 vorgesehen, die exzentrisch um eine Achse 18 gedreht werden kann. Die
Scheibe 17 ist gegenüber dem konvex gekrUmmten Teil des Federendes 16 angeordnet,
so daß das Federende zwischen einem Vorsprung 13 und der Scheibe 17 verläuft.
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Bei einer Drehung des Ubertragungsgliedes 11 in Pfeilrichtung 19,
also gegen den Uhrzeigersinn, bewegt sich der Vorsprung 13 von dem gekrümmten Federende
16 weg. Das bedeutet, daß das auf der Rückseite befindliche
Federende
(gestrichelte Linien) von dem Vorsprung an der Rückseite mitgenommen wird, so daß
Sich die Schlingfeder 15 um die Welle 7 legt und diese koppelnd mitnimmt. In Abhängigkeit
von der Größe des Drehmomentes stellt sich die Welle in einem bestimmten Winkelverhältnis
zum Ubertragungsglied ein. Wenn nun die Welle 7 an ihrer Abtriebsseite aus irgendeinem
Grund plötzlich gebremst oder blockiert wird, der Antrieb über das Ubertragungsglied
11 jedoch weiter vorliegt, besteht bei den vorgenannten Beispielen die Gefaht des
Wellenbruchs oder einer Motorüberlastung. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 würde
jedoch bei einer Wellenblockade durch das Weiterdrehen des Ubertragungsgliedes 11
die Scheibe 17 auf das vordere Federende 16 (ausgezogene Linien) drücken und dieses
ebenfalls in Pfeilrichtung 19 bewegen. Damit wird die Feder 15 gegen ihre Schlingrichtung
aufgedreht, wodurch sie von der Welle 7 entkuppelt ist. Durch die exzentrische Anordnung
der Scheibe 17 kann dasjenige Drehmoment eingestellt werden, bei welchem die Entkupplung
erfolgen soll.
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In den Fig. 5 und 6 ist eine weitere Ausführungform mit nur einer
Schlingfeder dargestellt. Das Ubertragungsglied 21 besteht wieder aus zwei Hälften
21a und 21b, an deren Umfang jeweils ein Zahnkranz ausgebildet ist. Die Hälften
21a und 21b haben Scheibenform und sind identisch ausgebildet. Jede Hälfte 21a,
21b weist eine zentrische Bohrung 22 für die Aufnahme der Schlingfeder 25 auf, sowie
eine im Durchmesser kleinere zentrische Bohrung 24 für den Durchtritt einer nicht
dargestellten Welle.
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Zwischen diesen Bohrungen und dem Außenumfang ist eine achsparallele
Bohrung 23 vorgesehen, der gegenüber, bezogen auf die Mittelachse der Hälfte, ein
über eine Stirnseite der Hälfte herausragender Stift 27 angeordnet ist. Im Bereich
der Bohrung 23 befindfet sich außerdem eine rechteckige Vertiefung 28, die auf der
nach innen gerichteten Seite einer jeden Hälfte ausgeformt ist.
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Die Schlingfeder 25 iSt gleichsinnig gewickelt und weist statt gebogener
Enden eine Mittelanzapfung 26 auf. Diese Mittelanzapfung 26 besteht aus
einer
über die Wicklung hinausgehende Schlinge, die, wie dies am besten aus Fig. 6 zu
sehen ist, die Form einer Acht bildet.
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Der Zusammenbau der Kupplung nach den Fig 5 und 6 erfolgt einfach
durch Zusammenstecken der spiegelbildlich und um 1800 verdreht angeordneten Hälften
21a und 21b, wobei der Stift 27 der einen Hälfte in die Bohrung 23 der anderen Hälfte
dringt und umgekehrt. Die Feder wird in den Bohrungen 22 der beiden Hälften aufgenommen,
wobei die Schlinge 26 in der rechteckigen Ausnehmung 28 liegt und von einem der
Stifte 27 durchdrungen wird. Damit wird die Mittelanzapfung 26 in ihrer Drehlage
fixiert. Wenn nun von dem Ubertragungsglied 21 ein Drehmoment auf eine durch die
Öffnungen 24 und die Schlingfeder 25 geführte Welle ausgeübt werden soll, so wirkt
in der einen Drehrichtung des Ubertragungsgliedes 21 die von der Mittelanzapfung
26 nach der einen Seite ausgehende Hälfte der Feder 25 als Schlingfederkupplung
und bei der anderen Drehrichtung die andere Hälfte der Feder. In gleicher Weise
würde die Kupplung wirken, wenn die Welle angetrieben und das Ubertragungsglied
als Abtriebselement verwendet wird.
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Bei den nächsten Beispielen werden statt einer Schlingfeder zwei Federn
verwendet. In Fig. 7 ist beispielsweise eine Kupplung beschrieben, die aus zwei
identisch gleichen Teilen besteht. Jedes Teil weist eine Scheibe 31a bzw. 31b auf,
welche jeweils mit einer Außenverzahnung versehen ist. Auf beiden Stirnseiten der
Scheiben 31a bzw. 31b sind auf einem Kreis Vorsprünge 33a bzw. 33b in bestimmten
Abständen vorgesehen, die symmetrisch zum Nullpunkt der Scheiben angeordnet sind.
Jedem Vorsprung ist eine entsprechende Vertiefung 34a bzw. 34b zugeordnet, welche
sich jeweils auf der anderen Stirnseite eines Teiles befindet. In jeder Scheibe
31a und 31b ist eine zentrische Bohrung 36a bzw. 36b vorgesehen, in welcher ein
grobes Gewinde 32a bzw. 32b ausgeformt ist. Die Gewindegänge setzen sich über die
Bohrung hinausgehend mit einigen Windungen als
Schraubenfeder 35a
bzw. 35b fort. Zweckmäßigerweise sind diese Gewindegänge einstückig an der jeweiligen
Scheibe ausgeformt und das ganze Teil aus Kunststoff gespritzt.
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Im Betrieb können nun die beiden Teile gemäß Fig. 7 auf einer Welle
so angeordnet werden, daß die Vorsprünge 33a der einen Scheibe 31a in die Vertiefungen
34b der anderen Scheibe 31b eindringen und die beiden Scheiben somit drehfest miteinander
verbunden sind. Die Gewindegänge 35a bzw. 35b weisen jeweils nach außen und bilden
so an der Welle 7 anliegende Schlingfedern, womit eine drehfeste Kupplung in beiden
Drehrichtungen bewirkt ist.
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Die beiden Teile 31a und 31b können aber auch in umgekehrter Weise
zusammengebracht werden, wie dies beispielsweise in Fig. 8 gezeigt ist. Zu diesem
Zweck werden die überstehenden Gewindegänge 35a und 35b in die Gewinde 32b bzw.
32a des anderen Teils eingedreht. Dadurch, daß beide Teile umgedreht werden, fallen
wieder die Vorsprünge in die jeweiligen Ausnehmungen des anderen Teils ein. Mit
einer solchen Anordnung wird ebenfalls eine drehfeste Kupplung für beide Drehrichtungen
bewirkt, wobei aber die Schlingfedern sich innerhalb des Ubertragungsgliedes 31
befinden.
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Eine dazu noch vereinfachte Ausführungsform ist in Fig. 9 dargestellt,
wo ein einstückiges Ubertragungsglied 41 und zwei Schraubenfedern 45a und 45b vorgesehen
sind. Die beiden Schraubenfedern sind gleichsinnig und gewindemäßig ineinander eingedreht.
Die Schraubenfeder 45a ist mit einem ihrer Enden 46a an dem Ubertragungsglied befestigt,
wobei bezogen auf dieses Ende 46a auf der anderen Seite des Ubertragungsgliedes
41 das Ende der anderen Feder 46b fixiert ist. Die Wirkungsweise dabei ist gleich
dem Beispiel nach Fig. 7 und 8.
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In Fig. 10 ist schließlich noch eine Variante erläutert, mit der ein
verhältnismäßig hohes Drehmoment übertragen werden kann. Das Beispiel ist
ähnlich
zu dem in Fig. 7, wobei allerdings nur ein Übertragungsglied 51 vorgesehen ist,
von welchem sich jedoch nach beiden Seiten hin jeweils zwei Federn 55a und 55a'
bzw. 55b und 55b' erstrecken. Ein Ende 56a und 56a' bzw. 56b (nicht sichtbar) und
56b' einer jeden Feder ist in dem Ubertragungsglied fixiert, so daß wiederum eine
in beiden Richtungen wirksame Kupplung gegeben ist.
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Allen Beispielen ist gemeinsam, daß entweder der Innendurchmesser
der Schraubenfedern so bemessen ist, daß die Feder zwar auf die Welle 7 aufgeschoben
werden kann, aber auf dieser verhältnismäßig gut anliegt bzw.
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vorgespannt ist, so daß zum Erreichen der Schlingfederwirkung eine
ausreichende Reibungsmitnahme zwischen Welle und Feder gegeben ist. Wie oben bereits
erwähnt, kann die Feder auch in die Nabe des Ubertragungsgliedes unter Verspannung
eingesetzt und mindestens ein Ende mit der Welle verbunden sein.
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Mit den beschriebenen Beispielen werden nach beiden Richtungen drehfeste
Kupplungen beschrieben, die aus einer oder mehreren Schlingfedern bestehen können.
Dabei können mit den Beispielen nach Fig. 1, 2, 5, 8 und 9 kurze Baulängen vorgesehen
werden, wenn sich die Schlingfeder in der Bohrung des Ubertragungsgliedes befindet.
Die Schlingfedern können aus Metall oder nur aus Kunststoff ausgebildet sein.
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