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Dokumentenidentifikation DE4441816A1 30.05.1996
Titel Zweistufige drehelastische Wellenkupplung
Anmelder Hackforth GmbH & Co KG, 44653 Herne, DE;
Woco Franz-Josef Wolf & Co, 63628 Bad Soden-Salmünster, DE
Erfinder Ückert, Heinrich Heinz Wilhelm, Dipl.-Ing., 45772 Marl, DE;
Klüh, Alfred, Dipl.-Ing., 36381 Schlüchtern, DE;
Mohr, Martin, Dipl.-Ing., 63628 Bad Soden, DE
Vertreter Finkener, E., Dipl.-Ing.; Ernesti, W., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 44795 Bochum
DE-Anmeldedatum 24.11.1994
DE-Aktenzeichen 4441816
Offenlegungstag 30.05.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 30.05.1996
IPC-Hauptklasse F16D 3/58
IPC-Nebenklasse B63H 23/32   
Zusammenfassung Die beschriebene Wellenkupplung ist insbesondere für Bootsantriebe mit schnellaufenden Dieselmotoren geeignet. Zur Vermeidung von "Zähnerattern" ist eine erste Stufe mit hoher Drehnachgiebigkeit im Leerlauf- und Teillastbereich und eine zweite Stufe mit geringerer Drehnachgiebigkeit im Arbeitsbereich wirksam. Dabei sind an einer Nabe (1) wenigstens zwei radial stehende Flügel (4) symmetrisch angeformt, wobei an jedem Flügel (4) auf der in die Drehrichtung der Kupplung zeigenden Seite ein auf Zug belastbarer elastischer Strangkörper (5) befestigt ist. Diese Strangkörper (5) sind etwa tangential zur Nabe (1) verlaufend mit ihrem anderen Ende jeweils mit der Innenwand (6) eines Kreisringkörpers (2) als zweiter Kupplungsteil verbunden. Für die zweite Stufe sind am Kreisringkörper (2) an seiner Innenwand (6) wenigstens zwei Radialstege (7) symmetrisch angeformt, wobei an jedem Radialsteg (7) an seiner dem benachbarten Flügel (4) zugewandten Seite ein elastischer Druckkörper (8) befestigt ist. Bei Überschreiten eines vorgegebenen Drehmoments liegen die Flügel (4) an den Druckkörpern (8) an und die Wellenkupplung ist nun mit entsprechend höherer Drehsteifigkeit in der zweiten Stufe wirksam. Die Strangkörper (5) sind im Querschnitt rund oder eckig, vorzugsweise quadratisch ausgebildet. An den Metallteilen sind sie durch Vulkanisation befestigt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine zweistufige drehelastische Wellenkupplung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bootsantriebe mit schnellaufenden Dieselmotoren im Bereich bis ca. 1300 kW Antriebsleistung stellten in den vergangenen Jahren immer höhere Anforderungen an die Drehelastizität der Kupplungen. Die zunehmende Leistungsdichte bei Motoren und Getrieben war trotz hochelastischer Kupplungen in weichster Ausführung die Hauptursache für das sogenannte "Zähne rattern" im Getriebe. Hierbei handelt es sich im wesentlichen um ein Abheben der Zahnflanken voneinander durch Wechseldrehmomente, die größer sind als das Lastmoment (bei Leerlauf und Teillastbetrieb im Übergangsbereich vom Leerlauf in den Arbeitsbereich), welches unter allen Umständen vermieden werden muß.

Herkömmlichen Kupplungen sind hier Grenzen gesetzt, einerseits durch den zur Verfügung stehenden Elastomerwerkstoff und andererseits durch den vorhandenen Einbauraum. Eine Wellenkupplung, die so drehnachgiebig ist, daß die Anforderungen des Leerlaufbetriebes erfüllt werden, kann nicht das gesamte Drehmoment des Motors im Arbeitsbereich übertragen, und eine Kupplung, die für den Vollastbetrieb geeignet ist, hat für den Leerlaufbetrieb eine zu hohe Steifigkeit, so daß die Gefahr des Zahnabhebens gegeben ist.

Zur Lösung des Problems wurde eine Standardkupplung so modifiziert, daß das hochelastische Element im Bereich Leerlauf bis ungefähr 15% Nenndrehmoment die drehelastischen Anforderungen erfüllt. Als weitere Maßnahme wurde für den eigentlichen Arbeitsbereich ein wesentlich steiferes, ergänzendes Kupplungselement hinzugefügt. Die so entstandene Zwei-Stufen-Kupplung verfügt damit über eine stark unterschiedliche Kennlinie. Im Bereich der ersten Stufe hat die Kupplung eine extreme Drehnachgiebigkeit und bei Überschreiten eines vorher definierten Drehmoments wird diese Stufe überbrückt und die Drehmomentübernahme der zweiten Stufe ist mit einem erheblichen Anstieg der Drehsteifigkeit für den normalen Arbeitsbereich verbunden.

Eine zweistufige drehelastische Wellenkupplung in der vorstehend beschriebenen Art ist durch Verwendung in der Praxis bekannt. Die Ergebnisse der durchgeführten Tests, sowohl hinsichtlich Langzeiterprobung auf dem Prüfstand als auch durch Erprobung im Bootseinsatz haben gezeigt, daß von der ausgewählten Konzeption die technischen Anforderungen in jeder Hinsicht erfüllt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zweistufige drehelastische Wellenkupplung in einer vereinfachten Ausführung zu schaffen, die in einem vergleichbaren Bauraum die gleichen technischen Eigenschaften wie die vorbekannte Wellenkupplung bietet, jedoch unter drastischer Reduzierung der benötigten Bauteile eine entsprechende Reduzierung der Herstellungskosten ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die auf Zug belastbaren Strangkörper für die erste Stufe sind zweckmäßigerweise durch Vulkanisation an den metallischen Kupplungsteilen befestigt. Im Querschnitt können sie rund oder eckig, vorzugsweise quadratisch ausgebildet sein.

Weiter ist es zweckmäßig, an der Innenwand des Kreisringkörpers eine der Anzahl der Strangkörper entsprechende Anzahl Nocken anzuformen, wobei jeder Nocken sich bei stillstehender Kupplung bis an den Strangkörper erstreckt. Durch diese Nocken wird die durch Fliehkräfte hervorgerufene radiale Ausdehnung der Strangkörper begrenzt.

Weiter ist es zweckmäßig, an der Nabe radiale Arme als Rückdrehsicherung vorzusehen.

In der einfachsten Ausführung sind zwei auf Zug belastbare Strangkörperaus Elastomerwerkstoff, z. B. Gummi, ausreichend. Die Anordnung dieser Strangkörper zwischen den Flügeln eines Flügelpaars der Nabe und dem direkten Anschluß an den ringförmigen Außenkörper ermöglicht einerseits die erforderliche Länge L&sub0; des Elastomerkörpers, um unter Berücksichtigung der zulässigen Werkstoffkennwerte den benötigten Federweg zur Verfügung zu stellen, und andererseits auf der abgewandten Seite der Flügel den erforderlichen Freiraum für das Arbeiten der ersten Stufe bereitzustellen.

Bedingt durch die etwa tangentiale Anordnung der Elastomerkörper werden diese unter Drehzahl durch die Fliehkräfte zusätzlich beansprucht. Im Leerlauf- und Teillastbereich sind die Betriebsdrehzahlen jedoch so niedrig, daß die Elastomerkörper nicht überlastet werden. Wird der Übergangsdrehmomentbereich überschritten, kommt die zweite Stufe zum Tragen, und eine weitere Belastung der Elastomerkörper der ersten Stufe ist nicht mehr möglich. Bei weiter ansteigender Drehzahl und Leistung kommen die Strangkörper an den Nocken des Kreisringkörpers zur Anlage und werden abgestützt. Damit wird eine unerwünschte zunehmende Belastung durch Fliehkräfte vermieden.

Bei Belastung in negativer Drehmomentrichtung kommen die radialen Arme der Nabe an den Stegen des Kreisringkörpers zur Anlage. Damit ist eine Begrenzung möglicher Schwingungsamplituden in negativer Drehrichtung gegeben.

Die elastischen Druckkörper, die in der zweiten Stufe wirksam sind, sind vorteilhafterweise je an äußeren ebenen, etwa radial verlaufenden metallischen Platten anvulkanisiert. Dabei ist an jedem Druckkörper wenigstens eine metallische Platte gegenüber dem elastischen Körper an den zur Drehachse parallelen Seiten mit einem überstehenden Rand ausgebildet und die überstehenden Ränder sind in einer am Radialsteg des Kreisringkörpers ausgebildeten Einschubführung gehalten und in dieser durch Verklemmen befestigt.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist an den Radialstegen längs der parallelen Einschubführungen je eine Rippe angeformt, die - in Umfangsrichtung gesehen - eine geringere Stärke als der elastische Druckkörper haben und nach einer vorgegebenen Einfederung des elastischen Druckkörpers Anschläge für den entsprechenden Flügel der Nabe bilden.

Die gegen die Drehrichtung zeigenden Flügelseiten sind zweckmäßigerweise mit einer Schicht aus einem Elastomer, z. B. Gummi, überzogen. Diese Flügelseiten kommen bei Überschreiten eines definierten Drehmoments an den elastischen Druckkörpern der zweiten Stufe zur Anlage. Der elastische Arbeitsbereich der zweiten Stufe kann 125 bis 150% Nenndrehmoment betragen. Bei Überschreiten dieses Arbeitspunktes (Stöße) ist die Einfederung der elastischen Druckkörper so groß, daß die Flügel an den starren Rippen der Radialstege des Kreisringkörpers direkt zur Anlage kommen. Damit wird eine Überlastung und eventuelle Zerstörung der zweiten Stufe vermieden.

Durch die besondere Ausbildung der elastischen Druckkörper der zweiten Stufe, insbesondere durch die Anvulkanisierung von Metallplatten an beiden Seiten, wird jede Art von Fließen des Elastomers quer zur Auflagefläche vermieden. Gegenüber einer ungebundenen Elastomerfeder (nur Elastomerkörper) ist die Übertragungsfähigkeit erheblich höher bei gleichzeitig geringstem "Setzen".

Nach einer anderen Weiterbildung ist in jedem elastischen Druckkörper eine axial verlaufende Durchbrechung mit einem Querschnitt beispielsweise entsprechend einem Doppel-T vorgesehen. Diese Ausgestaltung des Innenraumes ermöglicht eine weitere Steigerung der Elastizität des Bauteils. Gleichzeitig wird durch eine Durchbrechung eine Wärmekonzentration im Inneren des Elastomerkörpers vermieden.

Da eine solche Wellenkupplung vorzugsweise in glockenförmigen Getriebegehäusen installiert ist, was Umgebungstemperaturen von 80 bis 100°C zur Folge hat, wurde bei der Gestaltung der Elastomerkörper der ersten und zweiten Stufe besonders darauf geachtet, daß ihre Herstellung und Beanspruchung sich dazu eignen, wärmebeständige Elastomere einzusetzen, die grundsätzlich ein niedrigeres physikalisches Werteniveau haben als Naturkautschuk. Des weiteren sind die elastischen Druckkörper der zweiten Stufe separat an je zwei metallischen Platten anvulkanisiert, um die Herstellung der Gesamtkupplung mit den den Erfordernissen entsprechenden unterschiedlichen Elastomerfedern in den zwei Stufen zu ermöglichen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachstehend näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Stirnansicht einer zweistufigen drehelastischen Wellenkupplung ohne Drehmomentbelastung,

Fig. 2 einen Axialschnitt der Wellenkupplung in der Ebene der Linie I-I der Fig. 1 und

Fig. 3 eine weitere Stirnansicht der Wellenkupplung unter Drehmomentbelastung in der zweiten Stufe.

Die abgebildete drehelastische Wellenkupplung umfaßt eine innere Nabe 1 und als zweiten starren Kupplungsteil einen die Nabe umgebenden Kreisringkörper 2, der im allgemeinen dem motorseitigen Antrieb zugeordnet wird und mit diesem, in der Regel mit dem Schwungrad, in geeigneter Weise fest verbunden wird. Zu diesem Zweck enthält der Kreisringkörper 2 eine Anzahl von Durchgangsbohrungen 3 für Befestigungsschrauben. Die Wellenkupplung hat im wesentlichen die Gestalt einer Scheibe, deren axiale Stärke bei gegebenem Gesamtdurchmesser von der zu übertragenden Leistung abhängt.

An der Nabe 1 sind zwei Flügel 4 angeformt, die gegenüber einer durch den Fußpunkt verlaufenden Radialebene gegen die Drehrichtung der Wellenkupplung leicht abgewinkelt sind. Mit jedem Flügel 4 ist an seiner in Drehrichtung zeigenden Seite ein auf Zug belastbarer elastischer Strangkörper 5, vorzugsweise aus einem Gummiwerkstoff, verbunden, der jeweils zur Nabe 1 etwa tangential verlaufend mit seinem anderen Ende an der Innenwand 6 des Kreisringkörpers 2 befestigt ist. Die Befestigung der elastischen Strangkörper 5 mit den Metallteilen wird in an sich bekannter Weise durch Vulkanisation bewirkt. Die Strangkörper 5 haben, wie aus Fig. 2 ersichtlich, einen quadratischen Querschnitt. Bei unbelasteter Wellenkupplung sind sie spannungsfrei.

Der Kreisringkörper 2 enthält im Innern zwei radial verlaufende Stege 7, die als integrale Bestandteile an der Innenwandung 6 angeformt sind. Jeder Radialsteg 7 trägt auf seiner dem benachbarten Flügel 4 zugewandten Seite einen in besonderer Weise ausgebildeten elastischen Druckkörper 8. Ein einzelner Druckkörper 8 umfaßt einen inneren blockartigen Körper 9 aus einem Elastomerwerkstoff und an gegenüberliegenden Außenseiten anvulkanisierte metallische Platten 10. Der blockartige Körper 9 ist in bezug auf eine Querebene zur Drehachse derart keilförmig geformt, daß die äußeren Platten 10 in der Einbaustellung radial zur Drehachse der Wellenkupplung verlaufen.

Von den Platten 10 der elastischen Druckkörper 8 dient jeweils eine Platte zur Halterung des Druckkörpers 8 am Radialsteg 7. Zu diesem Zweck sind durch achsparallele Rippen 11, die an der Innenwand des Kreisringkörpers 2 einerseits und am Ende des Radialsteges 7 andererseits angeformt sind, Einschubführungen in Form von schmalen Nuten 12 gebildet. In die Nuten 12 kann der Druckkörper 8 mit den überstehenden Kanten der inneren Platte 10 in axialer Richtung eingesteckt werden. Der sichere Halt des Druckkörpers 8 kann durch Verklemmen oder Reibungsschluß der ineinandergreifenden metallischen Teile bewirkt werden.

Die Rippen 11 sind in Umfangsrichtung gesehen in ihrer Stärke so bemessen, daß der elastische Druckkörper 8 gegenüber den Rippen 11 um einen definierten Wert vorsteht.

Zur Verbesserung der Elastizität des inneren Druckkörpers 9 ist in diesem eine axial verlaufende Durchbrechung 13 enthalten, die im Querschnitt entsprechend einem Doppel-T geformt ist. Dadurch wird nicht nur die Elastizität günstig beeinflußt, sondern gleichzeitig eine Wärmekonzentration im Innern des Elastomerkörpers vermieden.

An der Nabe 1 sind außer den Flügeln 4 zwei radial kürzere Arme 14 angeformt, die bei negativer Drehung an den Radialstegen 7 zur Anlage kommen und so mögliche Schwingungsamplituden in negativer Drehrichtung begrenzen.

Des weiteren erstrecken sich von der Innenwand des Kreisringkörpers 2 zwei Nocken 15, deren Stirnflächen bei stillstehender Wellenkupplung je einem Strangkörper 5 benachbart sind.

Bei Lastaufnahme der Wellenkupplung werden zunächst nur die Strangkörper 5 auf Zug beansprucht und mit zunehmender Belastung gedehnt. Dieser Arbeitsbereich der Wellenkupplung mit extremer Drehnachgiebigkeit endet bei Überschreiten eines vorgegebenen Drehmoments, bei dem die Flügel 4 an den elastischen Druckkörpern 8 zur Anlage kommen. Die Wellenkupplung arbeitet nun in der zweiten Stufe mit einem erheblichen Anstieg der Drehsteifigkeit. Dieser elastische Arbeitsbereich erstreckt sich etwa bis 125 bis 150% Nenndrehmoment. Bei Überschreiten des vorgegebenen Arbeitspunktes ist die Einfederung der elastischen Druckkörper 8 so stark, daß die Flügel 4 an den starren Rippen 11 zur Anlage kommen.

Um in der zweiten Stufe Druckberührungen Metall auf Metall zu vermeiden, ist an den Flügeln 4 an ihrer freien Seite eine Schicht aus Gummi 16 aufgetragen.

Fig. 3 zeigt den Zustand der elastischen Wellenkupplung unter Drehmomentbelastung in der zweiten Stufe innerhalb des vorgegebenen elastischen Arbeitsbereiches der elastischen Druckkörper 8. Soweit bei steigender Drehzahl und Leistung die entstehenden Fliehkräfte eine Auswölbung der Strangkörper 5 hervorrufen, kommen diese an den Nocken 15 zur Anlage und werden durch diese abgestützt, so daß weitere Verformungen vermieden werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Zweistufige drehelastische Wellenkupplung, insbesondere für Bootsantriebe mit schnellaufenden Dieselmotoren, bei der eine innere Nabe und ein äußerer Kupplungsteil durch zwei Gruppen von elastomeren Zwischengliedern mit unterschiedlichen Drehsteifigkeiten miteinander verbunden sind, wobei eine erste Gruppe mit hoher Drehnachgiebigkeit im Leerlauf- und Teillastbereich und eine zweite Gruppe mit geringerer Drehnachgiebigkeit im Arbeitsbereich der Kupplung zur Übertragung des Drehmoments wirksam ist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Nabe (1) wenigstens zwei etwa radial stehende Flügel (4) symmetrisch angeformt sind, daß an jedem Flügel (4) auf der in die Drehrichtung der Kupplung zeigenden Seite ein auf Zug belastbarer, elastischer Strangkörper (5) befestigt ist, der zur Nabe (1) etwa tangential verlaufend mit seinem anderen Ende jeweils mit der Innenwand (6) eines Kreisringkörpers (2) als zweiter Kupplungsteil verbunden ist, daß am Kreisringkörper (2) an seiner Innenwand (6) wenigstens zwei Radialstege (7) symmetrisch angeformt sind und daß an jedem Radialsteg (7) an seiner dem benachbarten Flügel (4) zugewandten Seite ein elastischer Druckkörper (8) befestigt ist, an denen bei Übertragung des Nenndrehmomentes je ein Flügel (4) der Nabe (1) an liegt.
  2. 2. Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strangkörper (5) im Querschnitt rund oder rechteckig, vorzugsweise quadratisch ausgebildet sind.
  3. 3. Wellenkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strangkörper (5) durch Vulkanisation an den metallischen Kupplungsteilen, d. h. an den Flügeln (4) und am Kreisringkörper (2), befestigt sind.
  4. 4. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwand (6) des Kreisringkörpers (2) eine der Anzahl der Strangkörper (5) entsprechende Anzahl Nocken (15) angeformt ist, wobei jeder Nocken (15) sich bei stillstehender Kupplung bis an den Strangkörper (5) erstreckt.
  5. 5. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Nabe (1) radiale Arme (14) als Rückdrehsicherung angeformt sind.
  6. 6. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elastische Druckkörper (9) an äußeren ebenen, etwa radial verlaufenden metallischen Platten (10) anvulkanisiert ist.
  7. 7. Wellenkupplung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Druckkörpern (8) wenigstens eine metallische Platte (10) gegenüber dem elastischen Körper an den zur Drehachse parallelen Seiten mit einem schmalen Rand übersteht und daß die überstehenden Ränder in Nuten (12) einer am Radialsteg (7) des Kreisringkörpers (2) ausgebildeten Einschubführung einliegen und in dieser durch Verklemmen befestigt sind.
  8. 8. Wellenkupplung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Radialstegen (7) längs der parallelen Einschubführungen je eine Rippe (11) ausgebildet ist, die eine geringere Stärke als der elastische Druckkörper (8) haben und nach einer vorgegebenen Einfederung des elastischen Druckkörpers (8) Anschläge für den entsprechenden Flügel (4) der Nabe (1) bilden.
  9. 9. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder elastische Druckkörper (8) eine axial verlaufende Durchbrechung (13) mit einem Querschnitt, beispielsweise entsprechend einem Doppel-T aufweist.






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