DE4208672C2 - Überlastkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Überlastkupp­ lung mit zwei koaxial angeordneten und den An- bzw. Abtrieb bildenden Elementen, zwischen denen eine im wesentlichen senkrecht zur Achse verlaufende Trenn­ fuge befindlich ist, mit Rollkörpern, die axial be­ wegbar und durch eine Feder in axialer Richtung vorgespannt sind, wobei eines der Elemente Ausneh­ mungen aufweist, die Rollkörper im einen Element in in axialer Richtung durchgreifenden Aussparungen angeordnet sind, über eine Stirnseite des Elementes überstehen und unter Einwirkung der Feder von einer Seite her in Richtung auf und teilweise in die Aus­ nehmungen gepreßt werden, wobei die Berührungsflä­ che eine der Feder entgegengerichtete Kraftkompo­ nente bewirkt, die beim Erreichen des Auslösepunk­ tes der Überlastkupplung die Kraft der Feder über­ schreitet, wobei die Rollkörper ebenso wie die Aus­ nehmungen in Paaren angeordnet sind und der Abstand der Mittelpunkte der Rollkörper größer (oder klei­ ner) als der Abstand der Scheitel der Ausnehmungen jeden Paares ist und von innen (oder von außen) her an den beiden Rollkörpern das die Aussparung auf­ weisende Element anliegt, derart, daß die Tiefe der Ausnehmungen größer als die Eingrifftiefe der Roll­ körper ist.

Überlastkupplungen werden Antrieben vorgeschaltet und dienen der Übertragung von Drehbewegungen, wo­ bei im Falle von Überlastungen zur Vermeidung von Zerstörungen eine Entkupplung erfolgen soll. Ziel ist es, innerhalb einer minimalen Ansprechzeit zu entkuppeln und das übertragene Drehmoment auf einen geringen Restbetrag zu reduzieren. Vor allen Dingen auf den Gebieten der CNC-Maschinen, Handlingsvor­ richtungen, Automaten- und Robotertechnik sowie bei numerisch gesteuerten Präzisionsmaschinen finden Überlastkupplungen vornehmlichen Einsatz. Hier wer­ den über einen numerisch gesteuerten Antrieb in kurzzeitigen Abständen und unterschiedlichen Dreh­ richtungen definierte Positionen durch Vorgabe ei­ nes bestimmten Drehwinkels übertragen und einge­ stellt. Um hier die durch den Antrieb und die zuge­ hörige numerische Steuerung gelieferten Einstel­ lungpositionen bis zur Arbeitsposition übertragen zu können, ist eine spielfreie Überlastkupplung un­ abdingbar.

Aus der DE 30 09 224 A1 ist eine Überlastkupplung bekannt, die aus zwei koaxial angeordneten und den An- bzw. Abtrieb bildenden Elementen aufgebaut ist. Im eingekuppelten Zustand erfolgt die Verbindung über Rollkörper, die in axialer Richtung über eine Feder in Ausnehmungen gepreßt werden, die in ihrer Gesamtheit gleichzeitig durch das eine als auch durch das andere Element (An- bzw. Abtrieb) gebil­ det werden. Solange die Rollkörper in Eingriff ste­ hen, liegt der eingekuppelte Zustand vor. Mit Ver­ lassen der Ausnehmungen, die eine den Federdruck überwindende Kraft zur Voraussetzung hat, tritt die Entkupplung ein und eine Bewegung des Antriebes re­ lativ zum Abtrieb wird möglich. Die Rollkörper be­ wegen sich dann auf einer die einzelnen Ausnehmun­ gen verbindenden Umlaufbahn, solange, bis sie in denselben oder anderen Ausnehmungen einrasten und hierdurch die Einkupplung vornehmen.

Für die Überlastkupplung gilt ebenso wie für ver­ gleichbare Vorrichtungen, daß das Erfordernis der spielfreien Übertragung der Drehbewegung ein hohes Maß an Präzision bei der Fertigung insbesondere der Ausnehmung, der Rollkörper und deren Anordnung re­ lativ zueinander erfordert.

Die DE-GM 88 06 205 zeigt eine Überlastkupplung, bei der die Rollkörper nicht gegeneinander ver­ spannt sind und die Kupplung somit nicht spielfrei ist. Im ausgekuppelten Zustand wird aufgrund der Führung der Rollkörper das freie Abrollen behindert und somit ist die Reibung im ausgekoppelten Zustand vergleichsweise hoch. Zudem ist ein selbsttätiges Nachstellen aufgrund Abnutzung oder Fertigungstole­ ranz nicht gegeben.

In einer Weiterentwicklung zeigt daher die DE 37 32 753 A1 eine in Drehrichtung spielfreie Überlast­ kupplung, bei der die Rollkörper paarweise einander zugeordnet werden. Die Rollkörper stützen sich an den Flanken der Ausnehmungen ab, indem man der kräftemäßigen Beaufschlagung durch die Feder eine zusätzliche Kraftkomponente additiv überlagert, die erzeugt wird durch das die Rollkörper führende Ele­ ment, welches von der durch die Lage des Scheitel­ punktes der Ausnehmung definierten Seite her auf den Rollkörper einwirkt. Entweder berühren die Rollkörper dabei jeweils die nach außen führende Flanke jeder Ausnehmung. Die seitliche Abstützung durch das die Aussparung aufweisende Element erfolgt durch einen stegartigen Eingriff zwischen beide Rollkörper, wodurch der Mi­ nimalabstand (der Mittelpunkte) beider Rollkörper festgelegt ist, der größer als der der Scheitel­ punkte der Ausnehmungen sein muß.

Alternativ berühren die Rollkörper die nach innen und aufeinander zu weisenden Flanken der Ausnehmun­ gen, so daß durch den in axialer Richtung wirkenden Druck der Feder die Rollkörper tangential nach au­ ßen gepreßt werden, die an einer Bewegung in dieser Richtung durch Anliegen an dem die Aussparung auf­ weisenden Element gehindert sind. Die hierbei tan­ gential zur Trennfuge auf dieses Element einwir­ kende Kraft wird aufgrund der paarweisen Anordnung kompensiert.

Im Zusammenwirken beider Rollkörper entsteht eine räumliche Fixierung der beiden An- und Abtrieb dar­ stellenden Elemente des Kupplungskörpers. Diese spielfreie Anordnung bleibt auch bei Fertigungsto­ leranzen und Abweichungen im Aufbau vorhanden.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaf­ fung einer auf rein mechanischer Basis arbeitenden Überlastkupplung zur Aufgabe gemacht, die bei ge­ ringen Abmessungen, minimalen Federbelastungen und nahezu völliger Spielfreiheit in beiden Drehrich­ tungen im ausgekuppelten Zustand mit minimaler Rei­ bung bewegbar ist.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merk­ male.

Mit Überschreiten des Auslösepunktes geraten die Rollkörper außer Eingriff, so daß eine Relativbewe­ gung der beiden Elemente der Kupplung um die ge­ meinsamer Achse möglich ist, wobei die Rollkörper vergleichbar einem Käfig über den Umfang geführt werden, ohne daß es der Anbringung besonderer Um­ laufbahnen bedarf. Die Größe der die Rollkörper führenden Aussparungen ist so gewählt, daß ein beidseitiges Anliegen des Rollkörpers an den Wandungen der Aussparung (7) nicht gegeben ist, so daß eine freie und ungehinderte Rotation erfolgen kann. Durch die erfindungsgemäße Ausge­ staltung der Kupplung wirkt die Kraft der Feder nicht unmittelbar, sondern durch Vermittlung eines weiteren Rollkörpers auf den in der Ausnehmung be­ findlichen Rollkörper ein. Ausdrücklich hinzuweisen ist, daß ein oder mehrere zusätzliche Rollkörper angebracht werden können. Die Vorteile sind in der im ausgekuppelten Zustand vorliegenden Rollreibung zu sehen, bei der die sich berührenden Rollkörper über den Umfang aneinander abrollen und demzufolge mit minimaler Reibung bewegbar sind. Das nach Über­ schreiten des Auslösepunktes aufzubringende Restmo­ ment ist demzufolge außerordentlich gering. Der Verlauf der Verbindungslinie zwischen den Mittel­ punkten der einrastenden und der zusätzlichen Roll­ körper im spitzen Winkel zur Wirkungsrichtung der Feder hat dabei eine in allen Betriebszuständen ge­ gebene Verbesserung ihrer Abstützung zur Folge. Die Abstützung erfolgt dabei in optimaler Weise, d. h. die Verbindungslinie verläuft etwa in Richtung der durch die Auflagefläche in den Flanken der Ausneh­ mungen und an den Rändern der Aussparungen des durchgriffenen Elementes entstehenden Kräfte. Fer­ ner stellt sich die Anordnung bei Verschleiß und Fertigungsmängeln in verbesserter Weise selbsttätig nach, da die sich die Anordnung der Rollkörper so­ wie der zusätzlichen Rollkörper gegeneinander ver­ ändern kann, etwa wenn eine ungleichmäßige Bela­ stung durch die Feder erfolgt oder die Aussparungen mit der Zeit ausschlagen.

Die Funktion der Überlastkupplung ist für beide Drehrichtungen gegeben.

Der Begriff "Rollkörper" ist im Sinne der Erfindung weit auszulegen und umfaßt sowohl Kugeln als auch Rollen und Wälzkörper.

Die Form der Berandung der Ausnehmungen in einen in azimutaler Richtung gelegten Querschnitt ist im Rahmen der Erfindung in weiten Grenzen beliebig. Besonders einfach herstellbar sind Ausnehmungen von dreiecksförmiger Gestalt. Eine im Hinblick auf die Flächenpressung günstigere Alternative für den ein­ gekuppelten Zustand ist die Wannenform, bei der eine großflächigere Anlage der Rollkörper erfolgt.

Auch ist grundsätzlich unerheblich, ob die Flanken der Ausnehmungen in beiden Drehrichtungen gleich oder unterschiedlich geneigt sind. Bei Realisierung des ersteren Merkmales erhält man eine Kupplung, die für beide Drehrichtungen gleiche (maximale) Drehmomente im Sinne einer Umkehrkupplung zu über­ tragen vermag. Bei in Abhängigkeit von der Dreh­ richtung unterschiedlichen übertragbaren (maxima­ len) Drehmomenten und folglich auch unterschied­ lichen Auslösepunkten, sind die Flanken unter­ schiedlich zu neigen. Die räumliche Ausdehnung der Ausnehmungen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Rollkörper unterliegt keinerlei Einschränkungen. Sie können kreisförmig oder von der Gestalt eines Rechteckes sein und bevorzugt in Richtung des Ra­ dius der gemeinsamen Achse angeordnet werden.

Obschon im ausgerasteten Zustand durch die Ausspa­ rung im entkuppelten Zustand eine Führung der Roll­ körper erfolgt, ist bei größeren Aussparungen die Anordnung eines die Rollkörper haltenden Käfigs zu empfehlen.

Die räumliche Orientierung der paarweise einander zugeordneten Ausnehmungen bzw. die darin eingera­ steten Rollkörper ist beliebig. Bevorzugt sind An­ ordnungen, bei denen die Verbindungsgerade des Aus­ nehmungspaares als Radius oder als Sehne der Trenn­ fläche beider Elemente des Kupplungskörpers verlau­ fen.

Bei numerisch gesteuerten Maschinen ist es er­ wünscht, daß nach erfolgter Entkupplung das erneute Einrasten in ein und derselben Position erfolgt. Es empfiehlt sich deshalb, die Abstände der Rollkörper voneinander bzw. die jedes Rollkörperpaares unter­ schiedlich, d. h. ohne jede Rotationssymmetrie zur Drehachse anzuordnen. Dann ist sichergestellt, daß nach einem einmal erfolgten Entkuppeln die beiden Elemente des Kupplungskörpers nach ein- oder mehr­ maliger Vollumdrehung nur in der Ausgangsposition wieder einrasten können. Für den Antrieb sind somit die Ausgangsverhältnisse wieder hergestellt.

Besonders bevorzugt ist, die zusätzlichen Rollkör­ per in der Weise einzusetzen, daß sie an der Feder, an dem die Aussparung aufweisenden Element und an dem Rollkörper anliegen. Dabei können ein oder meh­ rere zusätzliche Rollkörper angebracht werden.

Eine andere bauliche Realisierung besteht in der Verwendung eines einzigen Rollkörpers, dessen Ra­ dius so gewählt ist, daß er gleichzeitig auf beide in den Ausnehmungen befindlichen und das Paar bil­ denden Rollkörper durch die Kraft der Feder ein­ wirkt und aufgrund der zwangsläufig symmetrischen Anordnung jeweils einen nach außen gerichten Kraft­ vektor gleicher Größe überträgt. Die Abstützung er­ folgt dann über das die Aussparungen aufweisende Element jeweils von der Außenseite her.

Weitere Einzelheiten oder Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert sind. Es zeigen:

Fig. 1 Stand der Technik

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes durch die Fe­ der indirekt beaufschlagtes Paar von Rollkörpern

Fig. 3 eine Anordnung, bei der die Kraft­ übertragung der Feder über einen weiteren Rollkörper erfolgt

Fig. 4 einen Ausschnitt mit zwei zusätz­ lichen, der Kraftübertragung die­ nenden Rollkörpern.

Die Zeichnung gibt in schematisch gehaltener Quer­ schnittsdarstellung einen Ausschnitt der Überlast­ kupplung wieder, aus dem sich das Funktionsprinzip und der Erfindungsgedanke deutlich entnehmen las­ sen. Gezeigt ist jeweils ein Schnitt in azimutaler Richtung, entweder durch einzelne Rollkörper (1, 2) oder durch das in ihrer Gesamtheit durch zwei Roll­ körper (1, 2) gebildete Paar. Die Rollkörper (1, 2) werden in vertikaler Richtung von oben über eine Feder (3) belastet, und hierdurch gegen das die Ausnehmungen (4) aufweisende Element (5), das bei­ spielsweise dem Abtrieb dient, gepreßt.

Fig. 1 zeigt den Stand der Technik, bei dem zwi­ schen dem Element (5) und der Feder (3) in Höhe des aus den beiden Rollkörpern (1, 2) gebildeten Paares ein weiteres Element (6) angeordnet ist, welches zwei Aussparungen (7) aufweist, in denen jeweils einer der Rollkörper (1, 2) zu liegen kommt. Ent­ scheidend ist, daß zwischen den beiden ein Paar bildenden Rollkörpern (1, 2) das Element (6) über einen Steg (8) derart eingreift, daß jeweils seit­ lich einer der beiden Rollkörper (1, 2) anzuliegen kommt.

Die Ausnehmungen (4) sind etwa von dreiecksförmiger Gestalt und weisen demnach gerade Flanken auf, die einen Scheitel (10) bilden. Der Abstand der Mittel­ punkte der Rollkörper (1, 2) ist größer als der Ab­ stand der Scheitel (10) beider Ausnehmungen (4), so daß die Rollkörper (1, 2) jeweils an den äußeren Flanken der Ausnehmungen (4) aufliegt.

Die Kräfteverhältnisse sind wie folgt: In der durch den Pfeil bezeichneten Richtung wirkt die Feder (3) gleichzeitig auf die beiden Rollkörper (1, 2) ein. Durch das Berühren der jeweils äußeren Flanke (9) werden die beiden Rollkörper (1, 2) nach innen d. h. aufeinander zu gepreßt, was jedoch durch den dazwi­ schen befindlichen Steg (8) verhindert wird. Im Er­ gebnis erhält man eine durch die Feder (3) ausgelö­ ste spielfreie Verspannung des einen, die Ausneh­ mungen (4) aufweisenden Elements (5) mit dem ande­ ren Element 6, in dem die Rollkörper (1, 2) geführt sind, und die beiden Elemente (5, 6) im entkuppelten Zustand relativ gegeneinander beweglich sind, wobei die Rollkörper (1, 2) unter Überwindung der Kraft der Feder (3) die Ausnehmungen (4) verlassen und entlang der Oberfläche des Elementes (5) bewegt werden.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform der Kupplung, bei der die Feder (3) über einen wei­ teren Rollkörper (11) auf das durch die Rollkörper (1, 2) gebildete Paar einwirkt. Durch symmetrische Anordnung ergibt sich eine auf beide Rollkörper (1, 2) gleiche Kräfteverteilung.

Im Gegensatz zu Fig. 1 liegen die Rollkörper (1, 2) jeweils an der inneren Flanke (9) an und werden an der Abwärtsbewegung durch das jeweils von außen an­ liegende Element (6) gehindert. Auch hier entsteht über die Rollkörper (1, 2) in beide Drehrichtungen eine spielfreie Verspannung der Elemente (5, 6).

In der alternativen Ausgestaltung in Fig. 3 ist jedem der Rollkörper (1, 2) ein weiterer Rollkörper (11) zugeordnet, der ebenfalls der Übertragung der Kraft der Feder (3) dient. Zwischen den beiden Rollkörpern (1, 2) ist der Steg (8) eingepaßt, so daß eine Bewegung der beiden Rollkörper (1, 2) auf­ einander zu ausgeschlossen ist.

Fig. 4 zeigt nur einen einzigen Rollkörper (1) ei­ nes Paares. Die Feder (3) überträgt hier ähnlich zu Fig. 3, im Unterschied hierzu jedoch über zwei zu­ sätzliche Rollkörper (11), ihre Kraft. An der Stirnseite des Elementes (6) sind zur Aufnahme der zusätzlichen Rollkörper (11) bestimmte Stufen (12) angeformt. Auch hier wird der Rollkörper (1) in Richtung des Scheitels (10) der Ausnehmung (4) ge­ preßt und stützt sich einerseits an einer der Flan­ ken (9) der Ausnehmung (4) und an der Stirnseite des Elementes (6) ab. Welche der beiden Flanken (9) als Berührungsfläche gewählt werden bestimmt von welcher Seite her die Abstützung durch das Ele­ ment (6) zu erfolgen hat.

Der Vorteil der Verwendung zusätzlicher Rollkörper (11) zur Übertragung der Kraft der Feder (3) be­ steht darin, daß sich im entkuppelten Zustand die Rollkörper (1, 2, 11) mit Rollreibung, d. h. bei ge­ ringsten Reibungsverlusten bewegen. Nachteile im Hinblick auf die Spielfreiheit im eingekuppelten Zustand ergeben sich hieraus nicht.

Claims (10)

1. Überlastkupplung mit zwei koaxial angeordneten und den An- bzw. Abtrieb bildenden Elementen, zwi­ schen denen eine im wesentlichen senkrecht zur Achse verlaufende Trennfuge befindlich ist, mit Rollkörpern, die axial bewegbar und durch eine Feder in axialer Richtung vorgespannt sind,
wobei eines der Elemente Ausnehmungen aufweist, die Rollkörper (1, 2) im einen Element (6) in axialer Richtung durchgreifenden Aussparungen (7) angeord­ net sind, über eine Stirnseite des Elementes (6) überstehen und unter Einwirkung der Feder (3) von einer Seite her in Richtung auf und teilweise in die Ausnehmungen (4) gepreßt werden,
wobei die Berührungsfläche eine der Feder entgegen­ gerichtete Kraftkomponente bewirkt, die beim Errei­ chen des Auslösepunktes der Überlastkupplung die Kraft der Feder überschreitet,
wobei die Rollkörper (1, 2) ebenso wie die Ausneh­ mungen (4) in Paaren angeordnet sind und der Ab­ stand der Mittelpunkte der Rollkörper (1, 2) größer (oder kleiner) als der Abstand der Scheitel (10) der Ausnehmungen (4) jeden Paares ist und von innen (oder von außen) her an den beiden Rollkörpern (1, 2) das die Aussparung (7) aufweisende Element (6) anliegt, derart, daß die Tiefe der Ausnehmungen (4) größer als die Eingrifftiefe der Rollkörper (1, 2) ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. zusätzliche Rollkörper (11) vorhanden sind, die an der Feder (3) und den Rollkörpern (1, 2) derart anliegen, daß die Feder (3) durch die zusätzlichen Rollkörper (11) auf die Rollkörper (1, 2) einwirkt,
• 2. und die Größe der die Rollkörper (1, 2, 11) füh­ renden Aussparungen (7) so gewählt ist, daß ein beidseitiges Anliegen der Rollkörper (1, 2) und der zusätzlichen Rollkörper (11) an den Wandungen der Aussparung (7) nicht gegeben ist.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rollkörper (1, 2, 11) Kugeln oder Rollen oder Wälzkörper sind.

3. Kupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Berandung der Ausnehmungen (4) dreieck- oder wannenförmig konkav geformt ist.

4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Flanken (9) der Aus­ nehmungen (4) in beiden Drehrichtungen gleich oder unterschiedlich geneigt sind.

5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ausnehmungen (4) in Richtung des Radius der Achse angeordnet sind.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Rollkörper (1, 2) in einem Käfig geführt sind.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verbindungsgerade der zu einem Paar gehörenden Rollkörper (1, 2) bezogen auf die Drehachse als Radius oder Sehne verläuft.

8. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ge­ kennzeichnet durch unterschiedlichen Abstand der Rollkörper (1, 2) eines Rollkörperpaares.

9. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Rollkör­ per (11) an dem die Aussparung (7) aufweisenden Element (6) anliegen.

10. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Rollkör­ per (11) symmetrisch zwischen einem Paar von Roll­ körper (1, 2) angeordnet ist, der durch die Kraft der Feder (3) angepreßt ist.