DE3149156A1 - Kupplung zum starren verbinden koaxialer bauteile und deren verwendung bei gelenkwellen - Google Patents

Description

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G 3887 Voith Getriebe KG

Kennwort: "Axialspannschalen" Heidenheim

Kupplung zum starren Verbinden koaxialer Bauteile und deren Verwendung bei Gelenkwellen

Die Erfindung betrifft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 · eine starre, lösbare Kupplung zum Verbinden zweier gleichachsiger Bauteile, z.B. zweier Wellen oder Stangen, welche Drehmomente, Zug-, Druck- oder Biegekräfte zu übertragen haben, sowie die Verwendung einer solchen Kupplung zwischen einer Welle und eines daran anschließenden Kardangelenkes und/oder den Teilen einer Gelenkwelle.

Kupplungen dieser Art sind häufig im Großmaschinenbau anzutreffen unter der Bezeichnung Scheibenkupplungen. Die beiden zu verbindenden Enden der Bauteile, meist rotierende Wellen, sind als Flansche mit Zentrierung ausgebildet. Die Drehmomentübertragung erfolgt entweder über Schrauben, die die Flansche verbinden, Querkeile, axiale Bolzen, oder auch über Stirnverzahnungen.

Eine Kupplung dieser Bauart ist bekannt aus der DE-OS 27 21 306. Die radiale Erstreckung des stirnseitigen Flansches jedoch ist nachteilig bei beengten Einbauverhältnissen, und es ist eine sehr sorgfältige Montage der Schrauben erforderlich. Des weiteren ist eine Kupplung aus der DE-OS 2 201 539 bekannt, bei der die beiden Wellenenden konisch ausgebildet sind und über radiale Klemmstücke axial zusammengepreßt werden. Diese Bauart ist jedoch nur für kleine Drehmomente geeignet und kommt z.B. für Schwermaschinen nicht in Betracht.

Bekannt ist ferner aus der DE-PS 440 816 eine Kupplung, die das Drehmoment über eine Hirth-Stirnverzahnung überträgt. Die dabei entstehende Axialkraft wird von zwei Hülsen aufgebracht, die auf den Wellenenden befestigt sind und die ihrerseits von einer Ringmutter zusammengezogen werden. Diese Bauart bringt zwar bereits eine Verringerung des Außendurchmessers mit sich, bereitet aber große Montageschwierigkeiten bei großen Wellendurchmessern und entsprechend großen Gewinden. Diese Bauart eignet sich nur für kleine Kupplungen.

Eine bekannte Kupplung zeigt auch die DE-PS 1 575 744. Die beiden Wellenenden sind flanschartig ausgeführt. Das Drehmoment wird von Paßfedern übertragen. Die Axialkraft wird aufgebracht durch das Schrumpfen einer Hülse, die erwärmt über die außenverzahnten Flansche der Kupplung geschoben wird und deren radial nach innen weisende Bunde nach Verdrehen und Erkalten der Hülse an den Rückseiten der Flansche anliegen. Nachteilig ist die Notwendigkeit einer Verzahnung an den Flanschen und an der Schrumpfhülse und der erforderliche große axiale Platzbedarf zur Montage.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstig herstell bare Kupplung zum starren, aber lösbaren Verbinden zweier gleichachsiger Bauteile zu schaffen zur spielfreien übertragung von Drehromenten, Zug-, Druck- und Biegekräften

in beiden Wirkungsrichtungen, wobei der Außendurchmesser der Kupplung so klein wie möglich sein soll, so daß er insbesondere in Verbindung mit Gelenkwellen den Drehdurchmesser eines Kreuzgelenkes mit gleicher Drehmomentbelastbarkeit nicht übersteigt.

Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruches 1 gelöst. Die Axialkraft, die zur Drehmomentübertragung mittels der Stirnverzahnung aufgebracht werden muß, wird - gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung - von einer Spannvorrichtung erzeugt, die aus mindestens zwei schalenform!gen zylindrischen Spannklauen mit stirnseitigen, radial überstehenden Bunden besteht. Diese Spannklauen, auch als Axialspannschalen bezeichnet, umfassen gemeinsam den Umfang der als Flansche ausgebildeten Kupplungshälften. Der innere axiale Abstand der Bunde der Spannklauen ist im erwärmten Zustand größer als die axiale Distanz der Flanschrückseiten im zusammengesteckten Zustand der Kupplungshälften. Dadurch lassen sich die Axialspannschalen radial über die Flansche schieben, so daß diese beim Erkalten durch axiale Pressung eine feste Koppelung der Kupplungshälften herbeiführen.

Der Vorzug dieser erfindungsgemäßen Kupplung liegt im einfachen Aufbau. Sowohl die Bearbeitung der Kupplungsenden in Form von Flanschen.als auch der Axialspannschalen selbst erstreckt sich lediglich auf Drehen. Dadurch sind große Genauigkeit und preisgünstige Herstellung auf Automaten möglich. Eine Verzahnung und Bohren von Paßlöchern an den Flanschen sind nicht erforderlich. Dadurch, daß das Drehmoment von der Hirthverzahnung übertragen wird, vergrößert die Axial spannschale den Außendurchmesser nur um die konstruktiv bedingte Wandstärke zuzüglich etwaiger Sicherungsmaßnahmen. Es wurde dadurch erreicht, daß insbesondere in Verbindung mit Gelenkwellen der Rotationsdurchmeser des Gelenkes selbst den größten Durchmesser bestimmt. Es konnte dadurch auch eine einfachere Herstellung der Gelenkgabeln erreicht werden, da · das teuere Hinterschmieden der Flansche entfällt. Solche

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Gelenkbauteile sind dann durch Drehen einfacher an die Kupplung anpaßbar.

Vorzüge bietet die Erfindung auch z.B. für Bohrgestange, deren größter Außendurchmesser durch diese Axialspannschalen in Verbindung mit einer Stirnverzahnung reduziert werden kann. Besonders vorteilhaft ist diese Kupplung an Bauteilen anwendbar, in deren direkter Umgebung axial nur wenig Platz für die Montage zur Verfugung steht. Die erfindungsgemäße Kupplung erfordert im wesentlichen nur radiale Zugriffsmöglichkeit zu den zu verbindenden Kupplungshälften und ist auch in jeder Winkellage montierbar. Es entfallen Justier- und Meßarbeiten.

Obgleich die Funktion der Kupplung durch festen Schrumpfsitz der Axialspannschalen voll gewährleistet ist, kann es notwendig sein, die Axialspannschalen gegen Abspringen durch Fliehkraft bei rotierenden Bauteilen zu sichern. In den Ansprüchen 2 bis 5 sind Möglichkeiten angegeben, wie solche Sicherungen ausgeführt werden können. Die Spannklauen können von einem festsitzenden einteiligen Ring umschlossen sein, oder es ist neben den Spannklauen ein ein- oder mehrteiliger Ring befestigt, der diese mit einem Bund umgreift. Des weiteren besteht die Möglichkeit, die Spannklauen so zu gestalten, daß sie an Trennfugen zusammenstoßen, wo sie durch Löten oder Schweißen geheftet werden. Auch durch Befestigung der Spannklauen an einer oder beiden Kupplungshälften z.B. mit Schrauben ist eine Abspringsicherung gegeben. Im Anspruch 6 wird vorgeschlagen, die Bunde der Axialspannschalen und die Flanschrückseiten der Kupplungshälften schwalbenschwanzförmig auszubilden. Eine weitere Sicherung kann dann entfallen. Eine weitere Möglichkeit der Sicherung ist laut Anspruch dadurch gegeben, daß die sich radial erstreckenden Bunde in entsprechende Radialunten der Kupplungshälften eintauchen und dadurch- an einer Verformung durch Aufbiegen gehindert werden.

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Die Ansprüche 8 und 9 befassen sich mit einer Ausführungsform der Kupplung zur Montage von Axialspannschalen von der Innenseite einer rohrförmigen Kupplungshälfte aus, wobei die Sicherung durch einen innen! ieger.den Dorn oder eine Hülse erfolgt. Gemäß Anspruch 10 kann anstelle eines einstückigen Flansches an den Kupplungshälften ein Flanschring oder ein sog. Normring vorgesehen werden, der an den Kupplungshälften befestigt ist und die Stirnverzahnung trägt. Der Anspruch 10 bezieht sich auf die Ausbildung der Berührungsflächen der Axialspannschalen an den Flanschen dahingehend, daß durch geeignete Vertiefungen ein sattes Anliegen beim Schrumpfen gewährleistet ist. Die vorzugsweise Verwendung der Kupplung in Gelenkwellenantrieben ist im Anspruch 12 festgehalten.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen

Fig. 1 eine Schnittzeichnung der Kupplung zwischen einer Rohrwelle und einem Kardangelenk

Fig. 2 eine Schnittzeichnung der Kupplung mit separat befestigten Flanschen

Fig. 3 eine Schnittzeichnung der Kupplung mit schwalbenschwanzförmigen Bunden

Fig. 4 eine Ansicht der Axialspannschale mit Sicherung durch Schweißen oder Löten

Fig. 5 eine Schnittzeichnung der Kupplung mit Radialnuten

Fig. 6 eine Schnittzeichnung der Kupplung mit Toleranzring

Fig. 7 eine Schnittzeichnung der Kupplung mit innen 1 legenden Axialspannschalen

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Fig. 8 eine Stirnansicht der Ausführung nach Fig. 7

Fig. 9 eine Schnittzeichnung der Kupplung in der Ausführung mit Abdichtung

In Figur 1 sind mit 1, 2 zwei Kupplungshälften bezeichnet, die an ihren Enden als Flansche 3, 4 ausgebildet sind. Im vorliegenden Beispiel handelt es sich um ein Kardangelenk 30, das an einer Rohrwelle 31 befestigt ist. Die Flansche 3, 4 sind an den einander zugewandten Seiten mit einer Stirnverzahnung, vorzugsweise einer Hirth-Verzahnung ausgerüstet. Die einander abgewandten Stirnseiten sind als ebene Flächen ausgebildet, die den Außendurchmesser der Kupplungshälften nur wenig überragen. Beide Flansche werden von einer Spannklaue oder Axialspannschale 6 umgeben, die an ihren Stirnseiten Bunde 7 aufweisen. Das lichte Maß zwischen den radial nach innen ragenden Bunden ist so gewählt, daß es im kalten Zustand kleiner als das Maß b ist, im erwärmten Zustand jedoch größer als das Maß b, so daß zur Montage ein radiales Aufschieben bis zum Anliegen am Außendurchmesser der Flansche 3, 4 möglich ist. Beim Erkalten nimmt die Axialspannschale 6 das Maß b an und erzeugt durch elastische Dehnung eine Axialkraft, die die beiden Kupplungshälften an der Verzahnung fest ineinanderpreßt. Mit 8 ist ein Ring bezeichnet, der zur Sicherung der Axialspannschalen kalt oder ebenfalls durch Schrumpfen auf den Axialspannschalen befestigt ist.

In Fig. 2 ist mit 9 ein ein- oder mehrteiliger Sicherungsring bezeichnet, der einen axial überstehenden Bund 10 aufweist und auf einer Kupplungshälfte 1 befestigt ist, z.B. mit einem Sprengring 11. Nach Montage wird der Ring 9 mit Bund 10 über die Axialspannschale 6 geschoben und verhindert ein Ablösen der Axialspannschale während des Betriebs. Dargestellt ist ferner eine Ausführung, bei der der Flansch nicht massiv Bestandteil der Kupplungshälfte 1 ist, sondern als Zahnring

ausgeführt ist, der seinerseits eine Hirthverzahnung 5 trägt, und mit Schrauben 16 über die Zentrierung 15 an der Kupplungshälfte befestigt ist. Ein Gegenflansch 14 ist auch auf der anderen Kupplungshälfte 2 befestigt. Gemäß der Darstellung auf der rechten Bildhälfte kann die Axialspannschale 6 die Flansche 14 direkt umfassen* oder aber die Kupplungshälfte ist gemäß Darstellung auf der linken Bildhälfte mit Flansch 4 ausgeführt, so daß die Axialspannschale die Flansche und Zahnringe gemeinsam umfaßt.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Kupplung dargestellt, bei der die Dicke der Flansche 3, 4 radial nach außen zu- und dementsprechend die Dicke des Bundes 13 der Axialspannschale 12 nach außen abnimmt. Diese Ausführung kommt für solche Einbaufälle in Betracht, bei denen eine relativ lange Axial spannschale 12 vorgesehen werden muß. Diese dehnt sich bei Erwärmung um ein größeres Maß, so daß der schwalbenschwanzförmige Bund 13 über die entsprechenden Kanten der Flansche 3, 4 geschoben werden kann. Diese Ausführung macht eine weitere Sicherung gegen Ablösen der Axialspannschale entbehr! ich.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht auf die Trennfuge der Axialspannschale 6, die in diesem Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgeführt ist und den ganzen Umfang umschließt. Mit der Schweißung 18 sind die beiden Hälften 6a und 6b der Axialspannschale zusammengeheftet.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel sind hinter den Flanschen 3, 4 der Kupplungshälften 1, 2 radiale Nuten 19 angeordnet mit einer Breite, die der Dicke der Bunde 7 entspricht. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß durch Formschluß ein Aufweiten und Schrägstellen der Bunde im Betrieb unterbunden wird und die Axialspannschale ihren festen Sitz behält.

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Die erfindungsgemäße Kupplung läßt sich in beliebiger Weise mehrfach montieren und wieder lösen. Dazu muß lediglich die jeweils gewählte Sicherung gelöst werden und die Axialspannschale durch Erwärmen von ihrem Sitz abgenommen werden. Es lassen sich dabei nicht nur die einander fest zugeordneten Kupplungshälften in jeder Winkellage erneut montieren, sondern auch Ersatzbauteile lassen sich im Austauschverfahren befestigen. Eventuelle Einbautoleranzen lassen sich ausgleichen durch Einbau von Toleranzringen gemäß Fig. 6. Ein solcher Ring 28 kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein und>je nach Bauart der Kupplungshälfte, durch Schrumpfen befestigt sein. Es können auch beide Kupplungshälften einen solchen Toleranzring aufweisen, der seinerseits zum Kupplungsflansch hin und auch zum Bund 7 der Axialspannschale 6 hin gemäß Fig. 3 schwalbenschwanzförmig ausgebildet sein kann.

Eine für besondere Einbaufälle geeignete Ausführungsform der Kupplung zeigen die Fig. 7 und 8. Darin sind die Kupplungshälften 21 und 22 rohrförmig ausgebildet. Diese tragen Flansche 23 und 24, die sich radial nach innen erstrecken. Eine Stirnverzahnung 25 übernimmt die Drehmomentübertragung. Die Flansche 23 und 24 werden von Axialspannschalen 26 umfaßt, die in diesem Fall erwärmt von innen nach außen geschoben werden. Wie aus Fig. 8 zu erkennen ist, kann durch geeignete Gestaltung der Trennfugen der Axialspannschalen erreicht werden, daß wenigstens am größten Teil des inneren Umfanges an den Flanschen das Befestigen von Axial spannschalen möglich ist. Eine Sicherung gegen Ablösen im Betrieb kann durch Einschieben einer Hülse 27 erfolgen.

Um einen sicheren Sitz der Axialspannschalen auf dem Durchmesser der Flansche herbeizuführen, ist vorgesehen, die zylindrische Berührungsfläche mit Vertiefungen 17 zu versehen. Dadurch ist die Axialspannschale auf beiden

Flanschen im Bereich der Teilfuge bzw. der Verzahnung 5, 25 sowie im Bereich der Bunde 7, 13 radial geführt. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß sich die Axialspannschale bei der Montage während des Schrumpfprozesses gleichmäßiger abkühlt und dadurch eine gleichmäßigere Axialkraftverteilung am Umfang und festeren Sitz hervorruft. Gleichzeitig erhöht diese Maßnahme die Sicherheit gegen Ablösen im Betrieb. Des weiteren erwärmt sich die Axial spannschale schneller bei Demontage, weil weniger Wärme in das Innere der Flansche abgeleitet wird. ·

Die beschriebene Kupplung eignet sich nicht nur für Kupplungshälften, die ein Drehmoment über eine Stirnverzahnung-zu übertragen haben. Darüber hinaus ist auch die Verwendung in Bauteilen möglich, die nur durch Reibschluß ein Drehmoment übertragen sollen. Außerdem ist die Anwendung nicht nur auf kreisrunde Bauteile beschränkt.

Ein weiteres Beispiel für" die vielfältige Verwendungsmöglichkeit zeigt Fig. 9. Sie zeigt eine Verbindung in der beschriebenen Art über eine Axial spannschale 6. Außerdem sind die Kupplungshälften 1, 2 im Bereich zwischen der Stirnverzahnung 5 und den Flanschen 3, 4 mit Radialnuten 33 ausgestattet, in denen Dichtringe 34 ruhen, über den beiden Dichtringen befindet sich eine Hülse 32, mit Hilfe derer die Kupplung abgedichtet werden kann gegen Innendruck oder Verlust eines Mediums innerhalb der rohrförmig ausgebildeten Kupplungshälften 1, 2.

Eine Besonderheit bei der Herstellung der Axialspannschalen besteht noch darin, daß zur Erhöhung der Betriebssicherheit ein präziser Sitz der Axialspannschale dadurch erreicht wird, daß der Innendurchmesser der Axialspannschale kleiner gewählt wird als der zugeordnete Außendurchmesser an den Flanschen. Bei Erwärmung nimmt die Axialspannschale den Durchmesser der Flansche ein, und bei Abkühlung legt sich die Schale fest am Umfang der Flansche an. Es tritt also ein Schrumpfen sowohl in axialer als auch in Umfangsrichtung ein. 09.12.81
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Claims (12)

G 3887 Voith Getriebe KG Kennwort: "Axialspannschalen" Heidenheim Patentansprüche

1.) Kupplung zum starren Verbinden zweier koaxial angeordneter und zum übertragen sowohl von Drehmoment als auch Zug- und Druckkräften geeigneter Bauteile, z.B. Wellen oder Stangen, mit folgenden Merkmalen:

a) die zu verbindenden Enden der Bauteile sind als flanschartige Kupplungshälften ausgeführt;

b) die Kupplungshälften sind mit einer Zentrierung versehen;

c) die stirnseitige Fläche der Flansche ist mit einer Stirnverzahnung zur Drehmomentübertragung ausgerüstet;

d) die Flansche sind von einer Spannvorrichtung umschlossen, die an ihren Enden mit radial nach innen ragenden Bunden ausgerüstet ist, welche auf der Rückseite der Flansche anliegen;

e) die Spannvorrichtung übt nach Montage in erwärmtem Zustand auf die Flansche durch Schrumpfung eine axiale Anpreßkraft aus;

f) dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung aus mindestens zwei Spannklauen (6) besteht, die im erwärmten Zustand radial über die Flansche schiebbar sind.

2. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannklauen (6) zur Sicherung gegen radiale Verschiebung im Betrieb von mindestens einem festsitzenden einteiligen Ring (8) umschlossen sind.

3. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannvorrichtung von einem ein- oder mehrteiligen Ring (9) umgeben ist, der an einer Stirnseite der Spannklauen (6) anliegt und diese mit einem axial übergreifenden Bund (10) umschließt.

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4. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannklauen (6) zur Sicherung gegen radiale Verschiebung im Betrieb an ihren aneinanderstoßenden Fugen (18) durch Schweißen oder Löten geheftet ist.

5. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannklauen (6) zur Sicherung gegen radiale Verschiebung im Betrieb,z.B. mittels Schrauben, an wenigstens einer der Kupplungshälften befestigt ist.

6. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite der flanschartig ausgebildeten Kupplungshälften (1, 2) konisch schräg ausgeführt ist, so daß sich die Flansche (3, 4) nach innen verjüngen und daß die sie umschließende Spannklaue (11) nach innen ragende Bunde aufweist, die sich nach innen zur Flanschrückseite hin erweitern.

7. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kupplungshälften (1, 2) hinter den Flanschen (3, 4) mit radialen Nuten (19) versehen sind, und daß die Spannklaue (6) mit ihren radial nach innen ragenden Bunden in diese Nuten eingreift.

8. Kupplung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kupplungshälften (21, 22) rohrförmig ausgebildet sind und sich die stirnseitige Fläche der Flansche radial nach innen erstreckt und diese Flansche von einzelnen Spannklauen (26) zusammengespannt sind, die radial nach außen gerichtete Bunde aufweisen, die die nach innen ragenden Flansche (23, 24) axial umfassen und an deren kleinstem Durchmesser anliegen.

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9» Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Lagesicherung Spannklauen (26) an den Flanschen (23, 24) ein zentraler Dorn oder eine Hülse (27) mit festem Sitz eingesetzt ist.

10. Kupplung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flansche der beiden Kupplungshälften (1, 2, 21, 22) als Ringelemente (12) ausgebildet sind, die an den zu verbindenden Kupplungshälften befestigt sind und eine Stirnverzahnung (5, 25) aufweisen.

11. Kupplung nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spannklauen zugewandte zylindrische Fläche der Flansche (3, 4, 23, 24, 14) in deren Mittenbereich eine radiale Vertiefung (17) aufweist, so daß die Spannklaue (6, 12, 26) nur axial am Bund und radial im Bereich der Bunde und im Bereich der Stirnverzahnung mit den Flanschen in Berührung ist.

12. Verwendung einer Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Verbindung einer Gelenkkupplung (30) mit einem daran anschließenden zum übertragen von Drehmoment geeigneten Maschinenteil (1), vorzugsweise in einer Gelenkwelle.

Heidenheim, den C3.12.1981
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