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Die
Erfindung betrifft eine Ausgleichskupplung zur drehmomentübertragenden
Verbindung eines Maschinenelements mit einer Hohlwelle nach dem
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bei
den nichtschaltbaren Kupplungen wird zwischen den starren und nachgiebigen
Kupplungen, den sog. Ausgleichskupplungen, unterschieden. Während starre
Kupplungen nur bei genau fluchtenden Wellen Verwendung finden, werden
Ausgleichskupplungen verwendet, wenn Wellen mit Fluchtfehler zu
verbinden sind. Je nach Fehlerrichtung werden die Ausgleichskupplungen
in quer-, längs-,
winkel-, oder drehnachgiebige aufgegliedert, wobei auch Kombinationen
verschiedener Nachgiebigkeiten möglich sind.
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Die
meist zwischen einer Kraft- und einer Arbeitsmaschine eingebauten
Ausgleichskupplungen haben je nach Anforderung Zwangskräfte in den
Lagern und Wellen bei abweichender Achslage zu mindern, Drehmomentstöße auszugleichen,
die Resonanzdrehzahl zu verschieben und Drehschwingungen zu dämpfen. Als
drehstarre Ausgleichskupplung ist die Bogenzahnkupplung bekannt
geworden, die Winkel- und Querfehler ausgleicht. Sie überträgt das Drehmoment
formschlüssig über ineinandergreifende,
axial verlaufende Verzahnungen im Innen- (Nabe, Stern) und Außenteil
(Hülse).
Die beiden Kupplungshälften
weisen hierzu jeweils eine ballige Außenverzahnung auf und werden über eine
entsprechend innen verzahnte Zwischenhülse verbunden. Bei Verlagerung
gleiten die Bogenzähne
entlang der Innenverzahnung.
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Da
das Drehmoment über
viele Zahnglieder übertragen
wird, ergeben sich kleine Abmessungen bzw. hohe übertragbare Drehmomente. Nachteilig
ist der axiale Platzbedarf der Bogenzahnkupplung und der Schmierstoffbedarf
für beide
Verzahnungsglieder.
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Aus
der
DE 195 05 695
A1 ist eine Gestaltung bekannt, bei der ein Getriebe mit
einem Motor dadurch gekoppelt ist, dass eine in eine Ritzelhohlwelle
eingesteckte Zahnwelle mit ihrem einen Ende, das über die
Ritzelhohlwelle hinaussteht, über
eine Motorabtriebskupplung mit dem abtriebsseitigen Ende der Läuferwelle
des Motors gekoppelt ist.
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Aus
der deutschen Auslegeschrift
DE 22 08 036 B2 ist ein elektrisches Triebfahrzeug
mit Einzelachsantrieben bekannt. Bei jedem Einzelachsantrieb ist
der Fahrmotor über
Tatzlager auf der Treibachse gelagert. Seit Ritzel ist mit der Motorwelle
zur Vermeidung von Zwangskräften über eine
Bogenzahnkupplung verbunden. Damit auf kleinem Raum ein möglichst
großes Übersetzungsverhältnis untergebracht werden
kann, ist das Ritzel des Fahrmotors als Sonnenrad eines Planetengetriebes
ausgebildet. Das Hohlrad ist einseitig mit einem die Motorwelle
mit Spiel umgebenden Zylinder verbunden, auf dem das Stirnzahnrad
befestigt ist.
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Aus "Heidrich, Günther: Das
Stoeckicht Planetengetriebe; Herausgeber BHS-Werk Sonhofen, 1984,
Seite 31" ist ein
Getriebe bekannt, bei dem ein ungelagertes Sonnenrad über eine
Doppelzahnkupplung gelenkig mit einer schnellaufenden Welle verbunden
ist und bei dem Hohlräder
in zwei selbstständige
Hohlradhälften
getrennt sind, die sich unabhängig
voneinander auf gleiche Lastverteilung einstellen können. Die
beiden Hohlräder
sind bei dieser Gestaltung so dimensioniert, dass sie sich unter
der Wirkung der radialen Zahnkräfte
der Planeten so stark elastisch verformen, dass ein Lastausgleich
auch bei mehr als drei Planeten zustande kommt.
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Hiervon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Ausgleichskupplung
anzugeben, die nur einen geringen Einbauraum beansprucht und einen
Winkel- und Querlagefehler der Wellenverbindung bzw. Welle-Nabe-Verbindung
ausgleicht.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Ausbildung
hat den Vorteil, daß durch
die Ausführung
einer Kupplungshälfte
als elastische Kupplungswelle diese platzsparend innerhalb der Hohlwelle
angeordnet werden kann, so daß trotz
grundsätzlich
größerer Längsabmessung
der Ausgleichskupplung dennoch axialer Bauraum bei der Verbindung
zwischen Hohlwelle und Maschinenelement, wie beispielsweise der
zu einem Getriebe gehörenden
Eingangswelle, gespart werden kann. Im Vergleich zu einer alternativ
einsetzbaren Bogenzahnkupplung in zweifach gelenkiger Ausführung ergibt
sich eine Baulängeneinsparung die
mindestens der halben Länge
der Zwischenhülse der
Bogenzahnkupplung entspricht. Dies resultiert daraus, daß die Funktion
des zweiten Zahngelenks von der innerhalb der Hohlwelle gelegenen
Kupplungswelle wahrgenommen wird. Der Ausgleich des Quer- oder Winkellagerfehlers
erfolgt durch die kombinierte Beweglichkeit im Kupplungsstrang infolge der
biegeelastischen Kupplungswelle und der winkelnachgiebigen Gliederpaarung.
Bei Verwendung gleitend ineinander greifender Glieder läßt sich
ein hohes Drehmoment bei geringer Verschleißneigung und hoher Zuverlässigkeit
ermöglichen.
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Desweiteren
reduziert sich bei gelenkiger Gliederpaarung durch Wegfall einer
Gelenkpaarung der Schmierstoffbedarf für die Ausgleichskupplung um
etwa die Hälfte.
Je nach Baulänge
der Kupplungswelle und nach Auswahl des Wellenwerkstoffes kann kann
die wellenseitige Kupplungshälfte
drehelastisch ausgeführt
werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich durch die Merkmale der Patentansprüche 2 bis
10.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung
erläutert.
Es zeigt:
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1 einen
schematischen Achsenhalbschnitt einer Antriebskonfiguration bestehend
aus einer Turbine und einem Planetengetriebe, verbunden über die
erfindungsgemäße Ausgleichskupplung
und
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2 einen
schematischen Achsenhalbschnitt der Antriebskonfiguration mit einer
Bogenzahnkupplung nach dem Stand der Technik.
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In
dem Ausführungsbeispiel
nach 1 gilt es, ein Planetengetriebe 1 mit
einer Turbine 2 zum Zweck der Leistungsübertragung miteinander zu kuppeln.
Die mit der Turbine 2 verbundene Hohlwelle 3 dient
zum einen zur Leistungübertragung
auf das Planetengetriebe 1 und zum anderen zur Lagerung des
gesamten Turbinenrotors. Hierzu ist die Hohlwelle 3 in
zwei voneinander axial beabstandeten Wälzlagern 4 gelagert.
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Für die Leistungsaufnahme
ist das Sonnenrad 5 des Planetengetriebes 1 mit
einer Eingangswelle 6 verbunden.
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Bei
der Montage von Planetengetriebe 1 und Turbine 2 wird
als Optimum eine drehmomentübertragende
Verbindung derart angestrebt, daß die Hohlwelle 3 und
die Eingangswelle 6 koaxial zueinander ausgerichtet sind.
Aufgrund von Fertigungs- und Einbautoleranzen sowie Betriebslasten
ergibt sich jedoch ein Winkel- und Achsversatz der beiden Wellen 3 und 6.
Der in 1 dargestellte Achsversatz a ist zur besseren
Kenntlichmachung übertrieben
dargestellt und beträgt
tatsächlich
nur wenige Zehntel mm. Um diesen Achslagefehler möglichst
für die
Wellenlager reaktionsfrei auszugleichen, sind die beiden Wellen 3 und 6 über eine
Ausgleichskupplung 7 miteinander verbunden.
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Bei
der in 2 gezeigten Antriebskonfiguration ist die Ausgleichskupplung 7 als
Bogenzahnkupplung mit doppelter Verzahnung ausgeführt, wie dies
aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Drehmomentübertragung
erfolgt hierbei über
zwei Paarungen von formschlüssig
gleitend ineinander greifenden Gliedern 8. Hierzu ist turbinenseitig
eine Gliederpaarung 8 bestehend aus einem Stern 9 (Innenteil)
mit einer konzentrischen Außenverzahnung 10 und
einer Zwischenhülse 11 mit
an beiden Enden ausgebildeter konzentrischer Innenverzahnung 12 vorgesehen.
Eine zweite Gliederpaarung 8 ist auf der anderen Kupplungshälfte getriebeseitig
ausgebildet, wobei die am getriebeseitigen Ende ausgebildete Innenverzahnung 12 der
Zwischenhülse 11 mit
der Außenverzahnung 10 des
getriebeseitigen Sterns 9 kämmt.
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Demgegenüber weist
die Ausgleichskupplung 7 nach dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
der 1 nur eine Paarung formschlüssig gleitend ineinandergreifender
Glieder 8 zur Verbindung der beiden Kupplungshälften auf.
Die turbinenseitige Kupplungshälfte
wird von einer biegeelastischen Kupplungswelle 13 gebildet,
die an ihrem getriebeseitigen Ende eine achskonzentrische, trommelförmige Erweiterung
mit achskonzentrischer Innenverzahnung 12 aufweist. Diese
bildet wiederum mit der Außenverzahnung 10 des
an der Eingangswelle 6 ausgebildeten Sterns 9 die
Gliederpaarung 8, die die turbinenseitige Kupplungshälfte mit
der getriebeseitigen Kupplungshälfte
verbindet. Um eine gute Beweglichkeit der Gliederpaarung 8 zu
erzielen, ist die Außenverzahnung 10 bogenförmig ausgeführt, was
wiederum eine Balligkeit der Zahnflanken zur Folge hat.
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Auf
der turbinenseitigen Kupplungshälfte
erfolgt die drehmomentüber tragende
Verbindung zur Turbine 2 hin über eine starre, als Keilwellenverbindung
ausgeführte
Kupplung 14 mit der Hohlwelle 3. Durch die Anordnung
der Kupplungswelle 13 innerhalb der Hohlwelle 3,
die bei fehlendem Achsversatz koaxial sein wird, läßt sich
die ohnehin vorhandene Baulänge
des Turbinenrotors mit Hohlwelle 3 für die Aufnahme der Kupplungswelle 13 nutzen.
Da die Funktion der Ausgleichskupplung 7, nämlich den Achsversatz
auszugleichen, zum einen auf der Beweglichkeit der Gliederpaarung 8 und
zum anderen auf der biegeelastischen Ausführung der Kupplungswelle 13 beruht,
bedarf diese einer gewissen Biegelänge die zwischen der an der
Kupplungswelle 13 ausgebildeten Keilwellenverbindung 14 und
der Innenverzahnung 12 vorzusehen ist. Ein gewisser Spielraum
bei der Biegelänge
der Kupplungswelle 13 ergibt sich, indem die Kupplungswelle 13 als
hohle Welle ausgeführt
ist, so daß unter
Berücksichtigung des
zu übertragenden
Drehmoments, die Wandstärke
der Kupplungswelle 13 variiert werden kann. Dadurch kann
die innerhalb der Hohlwelle 3 zur Verfügung stehende Einbaulänge für die Zwecke
der Ausgleichskupplung 7 optimal genutzt werden. Dadurch, daß die Kupplungswelle 13 zu
mehr als 90% ihrer Länge
innerhalb der Hohlwelle 3 verläuft, muß nur eine geringe Baulänge für den Rest
der Ausgleichskupplung 7, nämlich der Gliederpaarung 8 zwischen dem
Planetengetriebe 1 und der Turbine 2 vorgesehen
werden. Im Beispiel führt
dies zu einer Verkürzung
der Antriebskombination gegenüber
der in 2 nach dem Stand der Technik ausgebildeten Konfiguration.
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Durch
die Anordnung der biegesteifen Keilwellenverbindung 14 mit
Paßsitz
im Bereich des turbinenseitigen Wälzlagers 4 lassen
sich die Einflüsse unvermeidbarer
Reaktionen der Ausgleichskupplung 7 auf den Turbinenrotor
bzw. die Hohlwelle 3 vermeiden.