DE19537662A1 - Zweistufige drehelastische Wellenkupplung - Google Patents

Description

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 "Zähnerattern" 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.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die in der ersten Stufe auf Druck beanspruchten gummielastischen Rollkörper bauen ihre Reaktionskraft während des Abrollens mit wachsendem Drehwinkel durch zunehmendes radiales Verpressen auf. Die Drehsteifigkeit der ersten Stufe ist also proportional der radialen Federsteife der Rollkörper. Die steifste Ausführung ist demnach ein Vollkörper. Eine Abstimmung der radialen Federsteife ist durch das Anbringen einer axialen Durchgangsöffnung möglich.

In der einfachsten Ausführung sind zwei Rollkörper aus Elastomerwerkstoff, z. B. Gummi, ausreichend. Die Anordnung der Rollkörper im Außenbereich der Kupplung ermöglicht ein direktes Abrollen zwischen einer ebenen oder leicht konkaven Lauffläche eines Flügelelements und der Bahn an der inneren Mantelfläche des Ringkörpers. So ist es möglich, den erforderlichen Drehfederweg der Kupplung zur Verfügung zu stellen, wobei nach Beendigung der Abrollbewegung noch ein ausreichender Arbeitsweg (Drehwinkel) für die zweite Stufe zur Verfügung gestellt werden kann.

Die elastischen Druckkörper, die in der zweiten Stufe wirksam sind, werden vorteilhafterweise so an den Flügelelementen fixiert, daß sie weder während der Arbeitszyklen in der ersten Stufe noch durch Fliehkraft ihren Platz verlassen können. Die Fixierung wird zweckmäßigerweise dadurch bewirkt, daß an jedem Flügelelement am freien Ende der Flanke ein in Umfangsrichtung nach innen abgebogener, den Druckkörper teilweise umschließender Finger angeformt ist.

Die Finger sind in Umfangsrichtung so dimensioniert, daß sie nach Überschreiten einer vorgegebenen Einfederung der elastischen Druckkörper der zweiten Stufe an den gegenüberliegenden Flanken der Radialstege des Ringkörpers anschlagen und so ein unzulässiges Einfedern verhindern. Der elastische Arbeitsbereich der zweiten Stufe kann z. B. 125 bis 150% des Nenndrehmomentes betragen.

Nach einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist an der Innenwand des Ringkörpers je eine die Ausgangsstellung (Ruhestellung der Kupplung) des zugehörigen Rollkörpers bestimmende axiale Rinne eingelassen.

Weiter ist eine Rückdrehsicherung vorgesehen, die bei Belastungen in negativer Drehrichtung wirksam wird. Zu diesem Zweck ist an den Flügelelementen an der jeweils freien Flanke ein Gummikörper befestigt, der in der Ruhestellung einen Abstand von dem jeweils gegenüberliegenden Radialsteg des Ringkörpers einhält. Durch diese Maßnahme ist eine Begrenzung möglicher Schwingungsamplituden in negativer Drehrichtung gewährleistet.

Die neue zweistufige drehelastische Wellenkupplung zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß sie aus einer relativ geringen Anzahl von konstruktiv einfachen und kostengünstig herstellbaren Bauteilen zusammengesetzt ist, wobei sie gleich gute technische Eigenschaften wie eine herkömmliche zweistufige Wellenkupplung bietet.

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 gemäß der Erfindung in der Ruhestellung,

Fig. 2 eine weitere Stirnansicht der Wellenkupplung unter Drehmomentbelastung in der zweiten Stufe und

Fig. 3 eine weitere Stirnansicht der Wellenkupplung bei einer Belastung in negativer Drehrichtung.

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

Unter der Voraussetzung, daß der Ringkörper 2 der treibende Kupplungsteil ist, dreht sich der Ringkörper 2 während der Belastung der Wellenkupplung gegen den Uhrzeigersinn.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Wellenkupplung in der einfachsten Ausführung mit nur jeweils zwei Funktionsteilen. Diese Funktionsteile stimmen paarweise überein, weshalb in der nachfolgenden Beschreibung für die übereinstimmenden Teile eines Paares jeweils nur eine einzige Bezugszahl benutzt wird.

Am Ringkörper 2 sind innen zwei Radialstege 4 mit gleichem Winkelabstand voneinander angeformt, deren freie Enden sich bis in die Nähe der Nabe 1 erstrecken. An jedem Radialsteg 4 verläuft die in Gegendrehrichtung zeigende Flanke 5 in einer Radialebene, während die gegenüberliegende Flanke 6 vom freien Ende aus in Richtung zum Ringkörper 2 muldenartig ausgebildet ist.

Von der Nabe 1 erstrecken sich auf gegenüberliegenden Seiten etwa trapezförmige Flügelelemente 7, wobei jedes Flügelelement radial außen von einer achsparallelen, tangential verlaufenden Lauffläche 8 abgeschlossen ist.

In dem Freiraum zwischen der Lauffläche 8 und der Innenwand des Ringkörpers 2 ist ein zylindrischer Rollkörper 9 aus elastischem Material, z. B. Gummi, unter Berührungsschluß gehalten. Zur Fixierung der Rollkörper 9 in der Ausgangsstellung ist in der Innenwand des Ringkörpers 2 eine axial verlaufende Rinne 10 eingelassen. Die Rollkörper können als Vollkörper ausgebildet sein oder, wie bei dem Ausführungsbeispiel, eine axiale Durchgangsöffnung 11 aufweisen. Soweit in der ersten Belastungsstufe der Wellenkupplung eine zunehmend stärkere Pressung der Rollkörper 9 erwünscht ist, kann dies dadurch bewirkt werden, daß die Laufflächen 8 leicht konkav ausgebildet werden.

An den Flügelelementen 7 ist an einer Seite ein in Umfangsrichtung nach innen abgebogener Finger 12 angeformt, der mit der gegenüberliegenden Flanke des Flügelelements 7 eine in Gegendrehrichtung offene Kammer 13 mit einer kreisrunden Innenmantelfläche bildet. In der Kammer 13 ist ein elastischer Druckkörper 14 gehalten, der so dimensioniert ist, daß er in der Ruhestellung der Wellenkupplung von dem gegenüberliegenden Radialsteg 4 des Ringkörpers 2 einen Abstand einhält.

Die andere Flanke 15 des Flügelelements 7 hält in der Ruhestellung der Wellenkupplung ebenfalls einen Abstand von dem gegenüberliegenden Radialsteg 4 ein. An der Flanke 15 ist in einer Vertiefung ein Gummikörper 16 mit etwa rechteckigem Querschnitt eingelassen.

Die Arbeitsweise der Wellenkupplung ist folgende:

Eine Drehung des Ringkörpers 2 gegen den Uhrzeigersinn bei einsetzender Belastung der Wellenkupplung bewirkt ein Abrollen der Rollkörper 9 einerseits an der Innenwand des Ringkörpers 2 und andererseits an den Laufflächen 8 in Richtung zur Flanke 15. Hierbei verringert sich zunehmend der für die Rollkörper 9 zur Verfügung stehende Abstand zwischen der Lauffläche 8 und der Innenwand des Ringkörpers 2, so daß die Rollkörper 9 zunehmend radial zusammengedrückt werden. Während dieser ersten Belastungsstufe ist also die Drehsteifigkeit proportional der radialen Federsteife der Rollkörper 9. Der Verdrehwinkel in dieser ersten Stufe beträgt bis zu 25°, und das Drehmoment wächst dabei bis ca. 10 bis 15% des Nenndrehmoments.

Die zweite Stufe der Wellenkupplung beginnt, wenn die Radialstege 4 auf die elastischen Druckkörper 14 auftreffen. Mit zunehmender Belastung werden die elastischen Druckkörper 14 mehr und mehr verformt, wie dies aus Fig. 2 ersichtlich ist. In dieser zweiten Stufe ist die Wellenkupplung bis zum Nenndrehmoment und darüber hinaus belastbar. Bei Überschreiten einer vorgegebenen Einfederung der elastischen Druckkörper 14 stoßen die freien Enden 17 der starren Finger 12 gegen die Radialstege 4 und verhindern dadurch eine Überbeanspruchung der elastischen Druckkörper 14.

Fig. 3 zeigt die Begrenzung möglicher Schwingungsamplituden in negativer Drehrichtung. In diesem Fall kommen die Gummikörper 15 an der radialen Flanke 5 der Radialstege 4 zur Anlage und fungieren so als Rückdrehsicherung.

Eine gegenseitige mechanische Drehführung der beiden koaxialen Kupplungsteile kann mit unterschiedlichen Mitteln bewirkt werden. Eine einfache Lösung besteht darin, daß an der Nabe an jeder Stirnseite eine Ringscheibe mittels Schrauben befestigt wird, wobei jede Ringscheibe an ihrem Umfang radial und axial gleitbeweglich an einer Ringschulter des Ringkörpers geführt ist. Durch eine solche Führung mittels außen anliegender Ringscheiben werden zugleich die elastischen Kupplungskörper in ihrer gewünschten axialen Lage fixiert.

Claims (6)

1. Zweistufige drehelastische Wellenkupplung, insbesondere für Bootsantriebe mit schnellaufenden Dieselmotoren, mit einer inneren Nabe und einem koaxialen Ringkörper als äußerer Kupplungsteil und zwei Gruppen von elastomeren Zwischengliedern mit unterschiedlichen Drehsteifigkeiten, 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, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• - am Ringkörper (2) sind an seiner Innenwand wenigstens zwei Radialstege (4) mit gleichem Winkelabstand voneinander angeformt, die sich bis in die Nähe der Nabe (1) erstrecken,
• - an der Nabe (1) sind wenigstens zwei im Querschnitt etwa trapezförmige Flügelelemente (7) gegenüberliegend angeformt, die außen je eine achsparallele, tangential eben oder schwach konkav verlaufende Lauffläche (8) aufweisen,
• - in dem axialen Freiraum zwischen jeder Lauffläche (8) des Flügelelements (7) und der Innenwand des Ringkörpers (2) ist je ein zylindrischer Rollkörper (9) aus elastischem Material mit Berührungsschluß gehalten und
• - an jedem Flügelelement (7) ist jeweils an einer Flanke ein elastischer Druckkörper (14) gehalten, der in der Ruhestellung der Kupplung von dem jeweils gegenüberliegenden Radialsteg (4) des Ringkörpers (2) einen Abstand hat.

2. Wellenkupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Flügelelement (7) am freien Ende einer Flanke ein in Umfangsrichtung nach innen abgebogener, den Druckkörper (14) teilweise umschließender Finger (12) angeformt ist.

3. Wellenkupplung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rollkörper (9) eine zentrale axiale Durchgangsöffnung (11) aufweisen.

4. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Innenwand des Ringkörpers (2) je eine die Ausgangsstellung (Ruhestellung der Kupplung) des zugehörigen Rollkörpers (9) bestimmende axiale Rinne (10) eingelassen ist.

5. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Radialstegen (4) die in Gegendrehrichtung zeigende Flanke (5) etwa in einer Radialebene verläuft und die andere Flanke (6) muldenartig geformt ist.

6. Wellenkupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Flügelelementen (7) die freie Flanke (15) etwa radial verläuft und daß an dieser Flanke ein Gummikörper (16) befestigt ist.