DD229464A1 - Wellenverbindung mit einstellbarer, veraenderlicher drehschwingungscharakteristik - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wellenverbindung fuer Antriebsanlagen mit elastischen und drehschwingungsdaempfenden Uebertragungselementen, die eine Veraenderung der Drehschwingungscharakteristik gestatten. Bisher ist bekannt, auftretende Drehschwingungsbelastungen durch den Einsatz von Drehschwingungsdaempfern und/oder Wellenverbindungen mit elastischen Elementen abzubauen. Diese Systeme waren auf einen konkreten Betriebspunkt ausgelegt. Veraenderungen des Betriebszustandes konnten damit nicht ausgeglichen werden. Die erfindungsgemaesse Loesung sieht vor, dass durch eine kontinuierliche oder diskrete Veraenderung der Funktionslaenge oder der Funktionsgeometrie der elastischen Uebertragungselemente eine Veraenderung der Drehschwingungscharakteristik der Wellenverbindung herbeigefuehrt wird. Dazu ist eine Stelleinrichtung vorgesehen, die mit den elastischen Uebertragungselementen in Wirkungsverbindung tritt. Die vorgeschlagene Wellenverbindung mit Einrichtungen zur Veraenderung der Drehschwingungscharakteristik ist fuer Antriebsanlagen vorgesehen, die unterschiedliche Betriebszustaende besitzen, wie z. B. Transporteinrichtungen. Als vorteilhaft zeigt sich dabei, dass diese Antriebsanlagen ohne Beeintraechtigung auch ausserhalb der Nenndrehzahl und ohne zusaetzliche Daempfungselemente betrieben werden koennen.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung:

Die Erfindung betrifft eine Wellenverbindung mit einstellbarer, veränderlicher Drehschwingungscharakteristik unter Verwendung elastischer Elemente.

Die Lösung dieser Erfindung ist für Antriebssysteme des allgemeinen Maschinenbaues, in denen das Drehschwingungsverhalten abhängig vom Betriebszustand gewollt beeinflußt werden soll, einsetzbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung:

Zur Verminderung von Drehschwingungsbeanspruchungen im Antriebssystem ist es bekannt, Drehschwingungsdämpfer und/oder Wellenverbindung mit elastischen Elementen zu verwenden.

Drehschwingungsdämpfer bewirken durch den Entzug von Energie aus dem Drehschwingungssystem eine Dämpfung der Drehschwingungsbeanspruchungen, wogegen Wellenverbindungen mit elastischen Elementen infolge der relativ geringen Drehfedersteige der elastischen Elemente das Antriebssystem verstimmen und damit die kritische Drehschwingungsbelastung in einen anderen weniger gefährdeten Drehzahlbereich verlagern und diese aufgrund des Verformungsverhaltens der elastischen Elemente zusätzlich dämpfen.

Bekannt sind Wellenverbindungen mit elastischen Elementen, deren Drehschwingungscharakteristik durch die Form, den Werkstoff, das Herstellungsverfahren der Elemente und deren Funktionslage in Form einer definierten Federkennlienie bestimmt

Allgemein üblich sind auch Wellenverbindungen mit elastischen Elementen, bei denen man die elastischen Elemente mit einer bestimmten Drehschwingungscharakteristik gegen andere elastische Elemente mit einer anderen Drehschwingungscharakteristik austauschen kann. Eine gewollte Veränderung der Drehschwingungscharakteristik ist durch diese Maßnahme jedoch nur im Projektierungs- oder Erprobungsstadium bzw. bei Umbaumaßnahmen möglich.

Die Möglichkeit einer gezielten Änderung der Drehschwingungscharakteristik während des Betreibens des Antriebssystems in Abhängigkeit vom Betriebszustand durch Verstellung bestimmter drehschwingungsbeeinflußter Parameter der Wellenverbindung ist bei bisher bekannten ausgeführten und vorgeschlagenen Lösungen nicht gegeben.

Ziel der Erfindung:

Das Ziel der Erfindung ist es, eine Wellenverbindung zu schaffen, bei der während des Betriebes in Abhängigkeit auftretender Belastungen eine ungewollte Belastung aus Drehschwingungsbeanspruchungen der Antriebsanlage innerhalb eines funktionsgerechten Drehzahlspektrums vermieden wird und daß damit der Einsatz zusätzlich erforderlicher Drehschwingungsdämpfer im Antriebssystem entfallen kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zwei Elemente des Antriebssystems, z. B. zwei koaxial miteinander angeordnete Wellen so miteinander zu verbinden, daß das durch das Antriebssystem hindurchzuleitende Drehmoment übertragen werden kann und die durch die Kraft-oder Arbeitsmaschine erregten Drehschwingungsbelastungen in Abhängigkeit vom Betriebszustand so vermindert werden, daß im Antriebssystem keine unzulässigen hohen Drehschwingungsbeanspruchungen auftreten und damit die Betriebssicherheit des Antriebssystems erheblich verbessert wird. Zur Erfüllung dieser Aufgabe wird eine Wellenverbindung mit elastischen Elementen vorgeschlagen, deren Drehschwingungscharakteristik kontinuierlich oder diskret verändert werden kann, wodurch die Drehschwingungsbeanspruchungen infolge der ständig möglichen und gezielten Verstimmung des Antriebssystems

-ι- /υο υ ι

Erfindungsgemäß beruht die Einstellung der Drehschwingungscharakteristik der Wellenverbindung darauf, daß entweder die Federsteif ig keit der elastischen Verbindungselemente durch z. B. Änderung der wirksamen Länge oder die Funktionsgeometrie, z. B. der Anordnungsdurchmesser von elastischen Verbindungselementen mit konstanter Federsteif ig keit in Abhängigkeit von Betreibszuständen und Beanspruchungen der Antriebsanlage bewußt eingestellt werden. Die Einstellung der drehschwingungsbeeinflussenden Parameter, Drehfedersteifigkeit bzw. Funktionsgeometrie der Wellenverbindung erfolgt dabei diskret oder kontinuierlich über einen entsprechenden Verstellmechanismus, der sich auf einer Welle verstellbar abstützt und mit den elastischen Elementen auf der anderen Welle lageveränderlich wirkungsverbunden ist. Die Stellfunktion für die drehschwingungsbeeinflussenden veränderbaren Parameter der Wellenverbindung kann entweder rechnerisch für die Betriebszustände der Antriebsanlage vorausbestimmt werden bzw. aus Messungen der Beanspruchungen an ausgewählten Stellen der Antriebsanlage abgeleitet werden.

Die konstruktive erfindungsgemäße Lösung kann derart sein, daß ein Kupplungsflansch der Welle mit radial oder axial angeordneten Federstäben bestückt ist, die über einen radial bzw. axial verstellbaren Kupplungsflansch auf der zweiten zu verbindenden Welle wirkungsverbunden sind. Eine weitere Form der konstruktiven Lösung kann auch darin bestehen, daß axial oder radial verstellbare Zapfen an einem Wellenflansch angeordnet sind, die mit elastischen Elementen des zweiten Kupplungsflansches in Wirkungsverbindung treten und daß über diese Wirkungsverbindung eine Änderung der Funktionsgeometrie, d.h. der Angriffsfläche (Eingriffstiefe) zwischen den Zapfen und den elastischen Elementen bzw. der radiale Abstand der Zapfen zur Wellenachse verändert wird.

Das Verstellen der Kupplungsflansche kann sowohl mechanisch, pneumatisch oder auch hydraulisch erfolgen. Mit dieser vorgeschlagenen Lösung ist es möglich, eine kontinuierliche oder diskrete Einstellung der Drehschwingungscharakteristik in Abhängigkeit der Betriebsparameter vorzunehmen und somit eine gezielte Verstellung des Antriebssystems zu erreichen, ohne daß zusätzliche Dämpfungsmittel erforderlich sind.

Ausführungsbeispiel:

Die erfindungsgemäße Lösung soll nochmals an mehreren Ausführungsformen und an Hand einer graphischen Darstellung demonstriert werden.

Es zeigen:

Fig. 1: ein Diagramm mit dem Verlauf der Torsionswechselmomente über der Drehzahl für einen Abschnitt eines

Antriebssystems, welches mit herkömmlichen bzw. mit einer erfindungsgemäßen Wellenverbindung ausgerüstet ist Fig.2: eine Wellenverbindung mit axial angeordneten Federstäben Fig.3: eine Wellenverbindung mit axial vestellbarem Zapfen

Fig.4: den Kupplungsflansch zur Aufnahme der axial verstellbaren Zapfen nach Fig. 3 Fig.5: eine Wellenverbindung mit radial verstellbaren Zapfen Fig. 6: einen Kupplungsflansch mit elastischen Elementen und Ausnehmungen zur Aufnahme der radial verstellbaren Zapfen nach Fig. 5

Fig.7: eine Wellenverbindung mit radial angeordneten Federstäben

Die in Fig. 1 dargestellten Verläufe der Torsionswechselmomenteüber der Drehzahl stellen die theoretische Fundamentierung der erfindungsgemäßen Lösung dar. Die Kurve A zeigt den Funktionsverlauf einer Kupplung mit elastischen Gliedern der * Qualität A und die Funktionskurve B zeigt eine Kupplung mit elastischen Gliedern der Qualität B. Die Funktionskurve C zeigt entsprechend der erfindungsgemäßen Lösung eine Kupplung mit einstellbaren (diskret einstellbar) elastischen Gliedern. Durch das Austauschen der elastischen Glieder in der Wellenkupplung der herkömmlichen Art und Weise kann zwar die gefährliche Resonanzstelle verschoben, aber nicht beseitigt werden. Durch die Kupplung mit den einstellbaren elastischen Gliedern kann man die Resonanzstelle umgehen, indem man die Drehfedersteigigkeit der elastischen Elemente so verändert, daß sie in einem bestimmten Drehzahlintervall jeweils der günstigeren Qualität der elastischen Elemente der herkömmlichen Kupplung entspricht. In diesem speziellen Fall erfolgt dies durch ein diskretes Umschalten von einer Qualität in die andere Qualität (B) der elastischen Elemente, so daß sich letztendlich der Funktionsverlauf nach C einstellt.

Fig.2 zeigt eine Wellenverbindung, bei der die Einstellung der Drehschwingungscharakteristik der Wellenverbindung auf der Änderung der wirksamen Länge der elastischen Verbindungselemente beruht.

Die elastische Wellenverbindung soll beispielsweise bei Schiffsantriebsanlagen zwischen dem Hauptdrucklager zur Aufnahme des Propellerschubes und der Antriebsmaschine in der Welienleitung eines Schiffsantriebes angeordnet sein. Die drucklagerseitige Welle 1 trägt eine Zahnwelle 6 mit der Länge I. Die Länge I ist durch den erforderlichen Verschiebeweg s und die zur Drehmomentenübertragung erforderliche Länge Γ bestimmt. Auf der Außenverzahnung der Zahnwelle 6 läuft der axial bewegliche Kupplungsflansch 2 mit einer Innenverzahnung. Die Verzahnung ist entsprechend der auftretenden Momente aus der Leistungsübertragung zwischen Antriebsmotor und Propeller und Zusatzmomente aus dynamischen Belastungszuständen ausgelegt. Der Außenrand des Kupplungsflansches 2 läuft in der Kulisse der Stelleinrichtung 4. Die Kulisse der Stelleinrichtung 4 ist drehfest und wird axial über einen Verstellmechanismus nach der Stellfunktion, Verstellweg s = f (ü)_err) (ω_βΓΓ = Erregerfrequenz) verstellt bzw. in der Funktionslage festgestellt. Die Verstellkräfte bzw. Feststellkräfte sind so dimensioniert, daß eine Verstellung bzw. Feststellung über dem gesamten Verstellbereich unter Betriebslast möglich ist. Im Kupplungsflansch

2 sind auf dem Durchmesser d·) gleichmäßig über den Umfang Aufnahmeöffnungen für die elastischen Übertragungselemente

3 angeordnet. Die Momentenübertragung zwischen Übertragungselement 3 und Kupplungsflansch 2 erfolgt formschlüssig. Die Aufnahmeöffnungen können hierbei winkeleinstellbar und elastisch gestaltet sein. Am axialfesten Kupplungsflansch 5 der Welle lOsind auf dem Durchmesser d-i entsprechend der Anordnung der Aufnahmeöffnungen im Kupplungsflansch 2elastische Übertragungselemente 3 befestigt. Die Übertragungselemente 3 sind Biegefedern mit z. B. rundem konstanten Querschnitt. Sie sind so dimensioniert, daß in jeder Funktionslage des Kupplungsflansches 2 die Betriebsmomente übertragen werden. Unter Berücksichtigung des genannten Anwendungsbeispieles war es bei Anwendung der beschriebenen Kupplung wie auch aller übrigen Kupplungen möglich, die Propellerweilenleitung einer Schiffsantriebsanlage extrem kurz zu gestalten und somit die Antriebsmaschine weit nach hinten in das Schiff zu verlagern, um somit zusätzlichen Transportraum zu gewinnen.

-3- 703

Die Einstellung der Drehschwingungscharakteristik der Wellenverbindung beruht in der Ausführung nach Fig. 3 ebenfalls auf der Änderung der wirksamen Länge der elastischen Übertragungselemente, wogegen diese Einstellung in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsvariante durch die Änderung der Funktionsgeometrie erreicht wird.

Entsprechend Fig.3 ist auf der Zahnwelle 6 ein axial verschiebbarer Kupplungsflansch 2 mit achsparallem Zapfen 7 und einer Stelleinrichtung 4 angeordnet. Die Zapfen 7 sind gleichmäßig auf den Umfang des Kupplungsflansches 2 verteilt. Sie greifen, wie Fig.4 zeigt, in Nut 11 zwischen den elastischen Übertragungselementen 3 ein und stellen damit die Verbindung zu dem Kupplungsflansch 5 und der Welle 10 her. Durch die Veränderung der Einstelltiefe der Zapfen 7 in die Nuten 11 wird die Angriffsfläche zu den elastischen" Übertragungselementen 3 verändert, so daß damit eine Verstimmung der Drehschwingungscharakteristik erreicht wird.

In Fig.5 ist die Wellenverbindung dahingehend ausgeführt, daß die Drehschwingungscharakteristik durch eine Veränderung der Funktionsgeometrie erreicht wird. Dazu sind in dem Kupplungsflansch 2 radial strakende Führungsnuten 9 vorgesehen, in denen Gleitzapfen 8 verstellbar geführt werden. Die Verstellung der Funktionslage der Gleitzapfen 8 kann dabei vorzugsweise hydraulisch oder pneumatisch erfolgen.

In dem Kupplungsflansch 5 nach Fig.5 sind zwischen elastischen Übertragungselementen 3 ebenfalls radial strakende Nuten 12 angeordnet. In diese Nuten 12 greifen die Gleitzapfen 8 in voller Tiefe ein und übertragen damit das Drehmoment zur Welle

Durch eine Veränderung der radialen Funktionslage der Gleitzapfen 8 wird wiederum nach der Funktion s = f (ω_ΘΓΓ) die gewünschte Veränderung der Drehschwingungscharakteristik erreicht, ohne daß, wie bei allen übrigen Varianten zusätzliche Dämpfungseinrichtungen erforderlich sind.

Die in Fig.7 dargestellte Ausführungsvariante entspricht in ihrer Funktion im wesentlichen der Fig.2 gezeigten. Im Unterschied zur Ausführungsvariante gemäß Fig.2sind hier die elastischen Übertragungselemente 3 radial auf dem Kupplungsflansch 5 angeordnet. Die Änderung der Drehschwingungscharakteristik wird über die radiale in der Führungsnut 9 verschiebliche Stelleinrichtung 4 erreicht.

Die Stellfunktion s = f (ω_βι._Γ) kann rechnerisch zu den einzelnen Betriebspunkten der Antriebsanlage bestimmt und über die Kulisse der Stelleinrichtung 4 der einzelnen Ausführungsformen eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der Stellfunktion ist die Messung der Wechselspannungen in gefährdeten Querschnitten der Antriebsanlage (Zahnfußbiegespannungen in Getrieben, Wellen; Torsionsspannungen usw.) und die Veränderung der Funktionslage der Stelleinrichtung 4 bei Erreichen vorgegebener Grenzwerte, bis eine gezielte Unterschreitung der Grenzwerte erreicht wird.

dieser meßtechnische und regelungstechnische Aufwand gewährleistet die sichere Funktion der Antriebsanlage im Rahmen der projektierten Möglichkeiten.

Claims (8)

1. -ι- 703 01

   Erfindungsanspruch:

   1. Wellenverbindung mit einstellbarer veränderlicher Drehschwingungscharakteristik bei der Übertragung von Drehmomenten mit Übertragungselementen, die elastische und drehschwingungsdämpfende Eigenschaften besitzen, gekennzeichnet dadurch, daß die drehelastischen Eigenschaften der Übertragungselemente (3) kontinuierlich oder diskret mittels einer Stellvorrichtung (4), die sich auf einer Welle (1) verstellbar abstützt und in Abhängigkeit vom Betriebszustand insbesondere in ihrer wirksamen Funktionslänge oder Funktionsgeometrie (Funktionslage) veränderbar ist und dementsprechend mit den elastischen Übertragungselementen (3) zu der anderen Welle (10) wirkungsverbunden ist.
2. 2. Wellenverbindung nach Pkt. !,gekennzeichnet dadurch, daß ein Kupplungsflansch (5) axial oder radial angeordnete federelastische Übertragungselemente (3) trägt, die mit einem durch eine Stelleinrichtung (4) auf einer zweiten Welle (1) axial verschiebbaren Kupplungsflansch (2) oder radial verstellbaren Kupplungselementen wirkungsverbunden sind.
3. 3. Wellenverbindung nach Pkt. !,gekennzeichnet dadurch, daß eine Zahnwelle (6) einer Welle (1) einen axial verschiebbaren Kupplungsflansch (2) mit stirnseitig axial angeordneten Zapfen (7) trägt, die in eine Nut (11) eines zweiten Kupplungsflansches (5) eingreifen, wobei die Nut (11) von elastischen Übertragungselementen (3) gebildet wird.
4. 4. Wellenverbindung nach Pkt. 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Kupplungsflansch (2) einer Welle (1) stirnseitig radiale Führungsnuten (9) mit radial verstellbaren Gleitzapfen (8) trägt, die ihrerseits in radiale Gleitnuten (12) eines zweiten Kupplungsflansches (5) eingreifen und daß diese Gleitnuten von elastischen Übertragungselementen (3) seitlich begrenzt werden.
5. 5. Wellenverbindung nach Pkt. 1 und 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Tiefe der Nut (11) und die Länge der Zapfen (7) dem Funktionsweg s = f (ω_βΓΓ) der axial verschiebbaren Stelleinrichtung (4) entspricht.
6. 6. Wellenverbindung nach Pkt. 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Länge der Führungsnut (9) und Gleichnut (12) dem Funktionsweg s = f entspricht.
7. 7. Wellenverbindung nach Pkt. 1,3 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß als Übertragungselement (3) Gummi, Federstahl oder Plast zur Verwendung kommt.
8. 8. Wellenverbindung nach Pkt. 1 und 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Verstellung der Gleitzapfen (8) mechanisch, hydraulisch oder pneumatisch erfolgt.