Ein- und ausrückbare Wellenkupplung Die Erfindung betrifft eine ein- -und ausrückbare Wellenkupplung, bei der jede Kupplungshäfte einen Zahnkranz aufweist, zumindest deren einer zum gegenseitigen Einrücken der beiden Zahnkränze in Achsrichtung der Welle verschiebbar ist.
Solche Kupplungen werden bei: hydroelektrischen Maschinensätzen verwendet, die sowohl für Turbinen als auch Pumpenbetrieb eingerichtet sind und eine elektrische Maschine, eine Turbine und eine Zentri- fugalpumpe aufweisen. Während des Pumpenbetrie- bes rotieren alle drei Maschinen miteinander. Bei Turbinenbetrieb muss jedoch die Pumpe abgekuppelt werden können.
Zum Einkuppeln bei Stillstand des Maschinen satzes müssen bei den bekannten Wellenkupplungen die Turbinen- und Pumpenwelle gegeneinander ver dreht werden, bis die drehfest mit der zugehörigen Welle verbundenen Zahnkränze der Kupplungshälften in die Eingriffsstellung kommen. Ein Einkuppeln lediglich durch Verschieben des axial beweglichen Zahnkranzes ist also nicht möglich.
Die Erfindung bezweckt, die bekannte Wellen kupplung in dieser Hinsicht zu verbessern und auch ihr Einkuppeln bei synchroner Drehzahl zu ex'leich- tern. Bei einer eingangs genannten Wellenkupplung ist zu diesem Zweck erfindungsgemäss zumindest der eine der Zahnkränze relativ zur zugehörigen Welle in einem begrenzten Bereich um die Wellenachse drehbar gelagert, und es sind Mittel vorhanden, die die Zahnkränze beim Einrücken in eine Eingriffs- stellung relativ zueinander drehen,
bei der die Zähne des einen Zahnkranzes mit den Zahnlücken des anderen Zahnkranzes in Einrückrichtung fluchten.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erörtert: Es können beim Kuppeln bei Stillstand des Ma schinensatzes die zu kuppelnden Wellen in Ruhe bleiben, und das Kuppeln erfolgt selbsttätig, sobald beispielsweise ein den axial verschiebbaren, Zahn kranz in Einrückrichtung bewegender Servomotor beaufschlagt wird.
Beim Kuppeln der Wellen bei annähernd syn chronen Drehzahlen 'kann innerhalb der Zeit, wäh rend der der drehbewegliche Zahnkranz einer Kupp lungshälfte unter Relativverdrehung zu seiner zuge hörigen Welle mit der gleichen Drehzahl wie der Zahnkranz der anderen Kupplungshälfte dreht, der axial verschiebbare Zahnkranz in seiner ganzen Breite eingerückt werden, so dass der wegen des Drehzahlunterschiedes -erfolgende Schlag von den ganzen Zähnen und nicht mehr nur von kleinen Zahnpartien aufgenommen wird.
Das Einkuppeln erfolgt ruhiger, und die Zahnbeanspruchung wird wesentlich herabgesetzt.
Durch Abfedern der den Drehbereich des dreh- beweglichen Zahnkranzes gegenüber der zugehörigen Welle begrenzenden Anschläge kann zudem eine Schlagbeanspruchung der Zähne praktisch ganz ver mieden werden.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes in vereinfachter Darstellung veranschaulicht. Es zeigen: Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine Wellenkupp lung nach der Linie 1-I der Fig. 2 und 3, Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie II-II der Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie III-III der Fig. 1,
Fig. 4 einen Axialschnitt nach der Linie IV-IV der Fig. 2, für eingerückten Zustand der Kupplung, Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in grösserem Massstab, Fig. 6 einen Schnitt durch eine andere Ausfüh rungsform der in Fig. 5 gezeigten Partie, Fig. 7 einen erweiterten Ausschnitt aus Fig. 1 in grösserem Massstab,
Fig. 8 bis 10 Schnitte nach der Linie X-X der Fig. 7 mit verschiedenen Stellungen der Zahnkränze und Fig. 11 einen Schnitt nach der Linie XI-XI der Fig. 9.
Die dargestellte Kupplung verbindet zwei Wellen 1 und 2. Auf die Welle 1 ist eine Nabe 3, auf die Welle 2 :eine Nabe 4 aufgezogen. Die Naben sind mit Muttern gesichert.
Die Nabe 3 weist eine Aussenverzahnung 3' auf, in die ein in Achsrichtung der Wellen 1 und 2 ver schiebbarer Zahnkranz 7 mit Zähnen 7' eingreift. Auf der Nabe 3 ist der Zahnkranz 7 mittels eines Ringansatzes 7" geführt.
Die Nabe 4 trägt einen Zahnkranz 8, der auf ihr mittels Kugeln 9 drehbar gelagert ist. Der Zahnkranz 8 weist Zähne 8' auf und greift mittels Anschlägen 8" zwischen Anschläge 4' der Nabe 4.
Die Anschläge 4' und 8" sind so dimensioniert, dass sich die Nabe 4 und der Zahnkranz 8 um un- gefähr eine Zahnteilung gegeneinander verdrehen können.
Von den Zähnen 8' des Zahnkranzes 8 ist an acht gleichmässig über den Umfang verteilten Zähnen der in der Zeichnung :rechts liegende Zahnteil ab gefräst. Im verbleibenden Teil 8"' der Zähne und den Anschlägen 8" ist ein Schaltzahn 10 in Ein rückrichtung, das heisst in Achsrichtung, beweglich gelagert.
Wie besonders aus den Fig. 7 hiss 10 ersichtlich, stehen die Schaltzähne 10 gegen den einrückenden Zahnkranz 7 hin über die Zähne 8' hinaus und wer den durch Federn 11 in dieser Lage gehalten.
Die Zähne 7' und 8' sind an den einander beim Einrücken zuerst berührenden Enden abgeschrägt, damit sie sich beim Aufeinanderauftreffen gegenseitig zur Seite schieben.
Die über die Zähne 8' hinausstehend gehaltenen Schaltzähne 10 weisen: entsprechend abgeschrägte Enden auf.
Dabei sind aber die vorderen Kanten 14 der schrägen Enden der Schaltzähne 10 gegenüber den entsprechenden Kanten 12 der Zähne 8' mit in Um fangsrichtung versetzter Teilung angeordnet.
Der drehbare Zahnkranz 8 wird relativ zur Welle 2 bzw. Nabe 4 durch Federn 15 in einer Mittellage seines durch die Anschläge 4' und 8" begrenzten Drehbereiches gehalten. Diese Federn 15 sind in einem Ringkanal 16 zwischen Nocken 17 und 18 an geordnet. Die Nocken 17 sind am Zahnkranz 8 be festigt, während die Nocken 18 an einem mit der Nabe 4 festverbundenen Ring 19 befestigt sind.
Zum Einrücken der Kupplung bei Stillstand der Wellen 1 und 2 von der in Fig. 1 gezeichneten aus gerückten Lage in die in Fig.4 gezeichnete ein gerückte Lage wird der Ringansatz 7" mittels nicht dargestellter Vorrichtungen von rechts nach links bewegt. Dabei kommen, wie aus Fig. 8 ersichtlich, zu nächst die Schaltzähne 10 mit den Zähnen 7' in Be rührung.
Die Schaltzähne gleiten beim weiteren Be wegen des Zahnkranzes 7 an der Kante 13 und dann auf der kleineren Abschrägung der Zähne 7' und drücken dabei den drehbeweglichen Zahnkranz 8 ent gegen der Wirkung der Federn 15 in eine Eingriffs stellung relativ zum nicht drehbeweglichen Zahn kranz 7. Die Wellen 1 und 2 bleiben dabei ohne Drehung in Ruhe.
Bei der in Fig. 8 gezeichneten Stellung der Zahn kränze wäre ein selbsttätiges Einkuppeln ohne Hilfe der Schaltzähne nicht möglich, da bei dieser Stellung, wie durch eine strichpunktierte Linie angedeutet ist, die Kante 12 der Zähne 8' und die Kante 13 der Zähne 7' gerade aufeinanderstossen würden, also keine Relativdrehung der Zahnkränze eingeleitet würde.
Sollten beim Einkuppeln bei Stillstand der zu kup pelnden Maschinen aber zufällig die Kante 14 der Schaltzähne 10 auf die Kante 13 der Zähne 7' stossen, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, so werden die Schalt zähne entgegen der Wirkung der Feder 11 und einer Arretiereinrichtung 21 in die in Fig. 10 ge zeichnete Stellung gestossen, bis die schrägen End- flächen der Zähne 7' und 8' aufeinanderzuliegen kommen und den Zahnkranz 8 - dieses Mal in der anderen Drehrichtung - verdrehen, bis eine Eingriffs stellung erreicht ist und die Zahnkränze ineinander geschoben werden können.
Bei allen anderen möglichen Stellungen ausser der in Fig. 9 gezeichneten Stellung werden beim Kuppeln bei Stillstand der Wellen 1 und 2 die Schaltzähne 10 die Zahnkränze 7 und 8 in Eingriffsstellung bringen, wie es für Fig. 8 beschrieben ist.
Die Schaltzähne 10 und die ihrer Lagerung die nenden verkürzten Zähne 8"' werden zweckmässig so ausgebildet, dass sie bei Eingriff der Zähne 7' und 8' in den Zahnlücken Spiel haben und so keine Kraft übertragen.
Zum Einkuppeln bei angenähert synchron laufen den Wellen 1 und 2 müssen die Schaltzähne 10 so stark ausgebildet oder so zahlreich sein, dass sie den Beanspruchungen bei Beginn des Eingreifens in den Zahnkranz 7 gewachsen sind.
Zweckmässig wird man jedoch Vorrichtungen an bringen, die die Schaltzähne 10 für den Kupplungs vorgang bei laufenden Wellen entgegen der Feder 11 zurückziehen, so dass sie ausser Aktion kommen.
Eine so'l'che Vorrichtung kann einen durch Druck flüssigkeit betätigbaren Servomotor aufweisen, wo bei ein willkürliches Bewegen der Schaltzähne möglich ist. Die Vorrichtung kann aber auch, wie in Fig. 6 gezeigt, ein Schwunggewicht 20 aufweisen, das den Schaltzahn 10 bei Überschreiten einer bestimmten Drehzahl der Kupplung automatisch zurückzieht.
Das Einkuppeln bei annähernd synchron lau fenden Wellen geht dann ohne Schaltzähne folgender massen vor sich. Durch die verbleibende Relativdrehzahl der Wel len 1 und 2 kommen die Zähne 7' und 8' von selber einmal in eine Eingriffsstellung. Sobald die ersten Zahnpartien ineinandergreifen, beginnt der Zahn kranz 8 mit der gleichen Drehzahl wie der Zahnkranz 7 zu drehen, wobei er sich relativ zur Welle 2 ver dreht. Während der Zeit dieser Relativverdrehung können die Zahnkränze 7 und 8 längs der ganzen Breite der Zähne 8' ohne Belastung ineinander ein rücken.
Erst wenn die genannte Relativverdrehung durch Anliegen der Anschläge 8" an den An schlägen 4' unterbunden wird, sind die Wellen 1 und 2 gezwungen, mit der gleichen Drehzahl zu lau fen, und es beginnt eine Drehmomentübertragung.
Die Schaltzähne müssen nicht im gleichen Zahn kranz wie die tragenden Zähne angeordnet werden. Sie könnten auch in einen separaten Zahnkranz, der lediglich gleiche Zähnezahl wie die zu kuppelnden Zahnkränze haben muss, eingreifen.
Die Zahnkränze der dargestellten Ausführungs form haben eine gerade Stirnverzahnung. Es lassen sich aber sinngemäss auch andere Verzahnungsarten anwenden. So können die Zahnkränze beispielsweise Schraubenverzahnungen oder eine Verzahnung mit in einer zur Wellenachse senkrechten Ebene verlaufen den Zähnen aufweisen.
Shaft coupling that can be engaged and disengaged The invention relates to a shaft coupling that can be engaged and disengaged, in which each coupling half has a toothed ring, at least one of which can be displaced in the axial direction of the shaft for mutual engagement of the two toothed rings.
Such clutches are used in: hydroelectric machine sets which are set up for both turbine and pump operation and have an electric machine, a turbine and a centrifugal pump. All three machines rotate together while the pump is in operation. However, it must be possible to uncouple the pump when the turbine is in operation.
To engage when the machine set is at a standstill, the turbine and pump shaft must be rotated against each other with the known shaft couplings until the sprockets of the coupling halves that are non-rotatably connected to the associated shaft come into the engaged position. A coupling simply by moving the axially movable ring gear is not possible.
The aim of the invention is to improve the known shaft coupling in this regard and also to make it easier to couple it at a synchronous speed. In the case of a shaft coupling mentioned at the outset, for this purpose at least one of the gear rims is rotatably mounted relative to the associated shaft in a limited area around the shaft axis, and means are provided which rotate the gear rims relative to one another when they are engaged in an engagement position,
in which the teeth of one ring gear are aligned with the gaps between the teeth of the other ring gear in the direction of engagement.
Embodiments of the invention are discussed below: The shafts to be coupled can remain at rest during coupling when the machine set is at a standstill, and coupling takes place automatically as soon as, for example, a servomotor moving the axially movable ring gear in the engagement direction is applied.
When coupling the shafts at approximately synchronous speeds, the axially movable ring gear can rotate in its entirety within the time during which the rotating gear ring of one coupling half rotates relative to its associated shaft at the same speed as the gear ring of the other coupling half Width are indented so that the impact resulting from the difference in speed is absorbed by the entire teeth and no longer only by small tooth sections.
The coupling takes place more smoothly and the tooth stress is significantly reduced.
By cushioning the stops that limit the range of rotation of the rotatable gear rim with respect to the associated shaft, impact stress on the teeth can be practically completely avoided.
The drawing shows an exemplary embodiment of the subject matter of the invention in a simplified representation. 1 shows an axial section through a shaft coupling along the line 1-I of FIGS. 2 and 3, FIG. 2 shows a cross section along the line II-II of FIG. 1, FIG. 3 shows a cross section along the line III -III of Fig. 1,
4 shows an axial section along the line IV-IV of FIG. 2 for the engaged state of the clutch, FIG. 5 shows a detail from FIG. 1 on a larger scale, FIG. 6 shows a section through another embodiment of that shown in FIG shown part, Fig. 7 an enlarged section from Fig. 1 on a larger scale,
8 to 10 sections along the line X-X in FIG. 7 with different positions of the gear rims, and FIG. 11 a section along the line XI-XI in FIG. 9.
The coupling shown connects two shafts 1 and 2. A hub 3 is drawn onto shaft 1, and a hub 4 is drawn onto shaft 2. The hubs are secured with nuts.
The hub 3 has an external toothing 3 ', in which a ver in the axial direction of the shafts 1 and 2 slidable ring gear 7 with teeth 7' engages. The ring gear 7 is guided on the hub 3 by means of an annular shoulder 7 ″.
The hub 4 carries a toothed ring 8 which is rotatably mounted on it by means of balls 9. The ring gear 8 has teeth 8 ′ and engages between stops 4 ′ of the hub 4 by means of stops 8 ″.
The stops 4 'and 8 "are dimensioned so that the hub 4 and the ring gear 8 can rotate relative to one another by approximately one tooth pitch.
Of the teeth 8 'of the ring gear 8, the tooth part on the right in the drawing is milled from eight teeth evenly distributed over the circumference. In the remaining part 8 "'of the teeth and the stops 8" is a switching tooth 10 in a reverse direction, that is, in the axial direction, movably mounted.
As can be seen particularly from Fig. 7 hiss 10, the shift teeth 10 are against the engaging ring gear 7 over the teeth 8 'and who held the by springs 11 in this position.
The teeth 7 'and 8' are beveled at the ends which come into contact first when engaging, so that they slide each other to the side when they meet.
The shift teeth 10 held protruding beyond the teeth 8 'have correspondingly beveled ends.
Here, however, the front edges 14 of the inclined ends of the shift teeth 10 are arranged opposite the corresponding edges 12 of the teeth 8 'with a pitch offset in the circumferential direction.
The rotatable ring gear 8 is held relative to the shaft 2 or hub 4 by springs 15 in a central position of its range of rotation limited by the stops 4 'and 8 ". These springs 15 are arranged in an annular channel 16 between cams 17 and 18. The cams 17 are fastened to the ring gear 8 BE, while the cams 18 are attached to a ring 19 firmly connected to the hub 4.
To engage the clutch when shafts 1 and 2 are at a standstill, from the moved position shown in FIG. 1 to the moved position shown in FIG. 4, the ring attachment 7 ″ is moved from right to left by means of devices not shown From Fig. 8 it can be seen, to the next, the shift teeth 10 with the teeth 7 'in Be contact.
The shift teeth slide during further loading because of the ring gear 7 on the edge 13 and then on the smaller bevel of the teeth 7 'and press the rotatable ring gear 8 ent against the action of the springs 15 in an engagement position relative to the non-rotatable ring gear 7. The shafts 1 and 2 remain at rest without rotating.
In the position of the sprockets shown in Fig. 8, an automatic coupling would not be possible without the help of the shift teeth, since in this position, as indicated by a dash-dotted line, the edge 12 of the teeth 8 'and the edge 13 of the teeth 7' would just collide, so no relative rotation of the gear rims would be initiated.
However, if the edge 14 of the shift teeth 10 accidentally hit the edge 13 of the teeth 7 'when the clutch is to be stopped at a standstill, as shown in FIG. 9, the shift teeth are counter to the action of the spring 11 and one Locking device 21 pushed into the ge in Fig. 10 position drawn until the inclined end surfaces of the teeth 7 'and 8' come to rest and the ring gear 8 - this time in the other direction of rotation - rotate until an engagement position is reached and the Sprockets can be pushed into one another.
In all other possible positions apart from the position shown in FIG. 9, the shift teeth 10 bring the ring gears 7 and 8 into engagement position during coupling with the shafts 1 and 2 stationary, as is described for FIG.
The shift teeth 10 and the shortened teeth 8 ″ ″ of their support are expediently designed in such a way that they have play when the teeth 7 ′ and 8 ′ engage in the tooth gaps and thus do not transmit any force.
For engagement with the shafts 1 and 2 running approximately synchronously, the shift teeth 10 must be so strong or so numerous that they can withstand the stresses at the beginning of the engagement with the ring gear 7.
Appropriately, however, you will bring devices that pull back the shift teeth 10 for the coupling process with running waves against the spring 11, so that they come out of action.
Such a device can have a servomotor that can be actuated by fluid pressure, in which case an arbitrary movement of the shift teeth is possible. However, as shown in FIG. 6, the device can also have a flywheel 20 which automatically pulls back the shift tooth 10 when a certain speed of the clutch is exceeded.
The engagement with almost synchronously running shafts then takes place without the following gear teeth. Due to the remaining relative speed of the Wel len 1 and 2, the teeth 7 'and 8' come into an engagement position by themselves. As soon as the first tooth sections interlock, the ring gear 8 begins to rotate at the same speed as the ring gear 7, wherein it rotates relative to the shaft 2 ver. During the time of this relative rotation, the ring gears 7 and 8 can move into one another along the entire width of the teeth 8 'without loading.
Only when the above-mentioned relative rotation is prevented by the stops 8 ″ on the stops 4 ', the shafts 1 and 2 are forced to run at the same speed, and torque transmission begins.
The shift teeth do not have to be arranged in the same ring gear as the load-bearing teeth. You could also intervene in a separate ring gear, which only needs to have the same number of teeth as the ring gears to be coupled.
The ring gears of the embodiment shown have straight spur teeth. However, other types of gearing can also be used analogously. For example, the ring gears can have helical teeth or teeth with teeth running in a plane perpendicular to the shaft axis.