Flexible Kupplung für intermittierenden Betrieb, wie Schalterantrieb

Die Erfindung betrifft eine flexible Kupplung (kurz: Flex­kupplung) für intermittierenden Betrieb, wie Schalteran­trieb, für die Verbindung einer ersten Welle (wie Schalter­welle) mit einer zweiten Welle, wie Antriebswelle, wobei die Wellenachsen zueinander einen Winkel (beispielsweise 0...15°) und u. U. auch Parallelverschiebung aufweisen können.

Flexkupplungen für die Verbindung von einer Antriebswelle mit einer Abtriebswelle, wobei die Wellenachsen zueinander einen Winkel sowie möglicherweise auch eine Parallelver­schiebung aufweisen können, sind in verschiedenster Form bereits seit langem bekannt. In ihrer einfachsten Form werden für kleine Winkel derartige Kupplungen durch soge­nannte Klauenkupplungsglieder verwirklicht, bei der zwei sich gegenüberliegende Kupplungsenden Nut-Feder-Anordnungen aufweisen, die eine axiale Verschiebung wie auch eine ge­ringfügige winkelmäßige Abweichung zwischen den Wellenachsen erlauben. Nachteilig an dieser einfachen Klauenkupplung ist die Tatsache, daß es recht schwierig ist, derartige Kupp­lungen ohne Torsionsspiel herzustellen. Bei vielen Anwen­ dungen ist ein derartiges geringes Torsionsspiel ohne Be­lang. Bei anderen Anwendungen, bei denen eine große Anzahl derartiger Kupplungen hintereinander angeordnet und mit einer entsprechenden Zahl von zu betreibenden Geräten, beispielsweise elektrischen Schaltern, verbunden werden, wobei an einem Ende dieser Anordnung ein Antriebsaggregat vorhanden ist, addieren sich bei einem vom Antrieb entfernt angeordneten Schalter zahlreiche derartige Spiele. Es kann daher vorkommen, daß ein entfernt angeordneter Schalter aufgrund des insgesamt zu hohen Spiels nicht mehr voll durchgeschaltet werden kann oder zumindest nur mit zeit­licher Verzögerung geschaltet wird, was von erheblichem Nachteil sein kann.

Ähnliche Nachteile sind mit Flexkupplungen aus elastischem Material verbunden, bei denen die beiden Wellenenden z. B. über eine kräftige Spirale miteinander verbunden sind. Je nach Anzahl der Spiralwindungen sind unterschiedliche Winkelverlagerungen und Parallelverlagerungen zulässig. Nachteilig ist hier, daß neben der parallelen Verlagerung und der Winkelverlagerung auch ein belastungsabhängiges "Torsionsspiel" sich ergibt, das zwar klein gemacht werden kann, aber bei einer großen Anzahl von hintereinander ge­schalteten derartigen Kupplungen doch zu merklichen und störenden Answirkungen führt.

Weitgehend torsionsspielfrei sind Kreuzgelenke oder Kardan­gelenke. Ihre Nachteile sind aber der komplizierte Aufbau und die damit verbundenen hohen Fertigungskosten sowie die relativ umständliche Montage.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Flexkupplung der eingangs genannten Art, die einerseits eine weitgehend spielfreie Drehantriebsweiterleitung ermöglicht, anderer­seits aber verhältnismäßig einfach hergestellt und insbe­sondere auch montiert werden kann. Die Flexkupplung soll insbesondere geeignet sein für die Reihenschaltung von zahlreichen elektrischen Schaltern, so daß auch als Teil­aufgabe gefordert wird, daß die Flexkupplung in einfacher Weise so weiter ausgebildet werden kann, daß eine gegen­seitige Isolation der einzelnen Schalterantriebswellen möglicht wird.

Gelöst wird die Aufgabe dadurch, daß die erste Welle nahe ihrem Ende eine Radialdurchgangsbohrung mit einem darin - vorzugsweise verschieblich - angeordneten Stift aufweist, dessen über die Wellenumfangsfläche hinausragenden Enden zueinander parallel liegende Abflachungen besitzen, und daß die zweite Welle nahe ihrem Ende eine Axialeinsenkung auf­weist, in die das Ende der ersten Welle aufnehmbar ist, wobei die Axialeinsenkung einen inneren Querschnitt auf­weist, der sich von einem engsten, die erste Welle mit geringem Spiel umschließenden Querschnitt sich in beide Axialrichtungen kegelschnittartig (z. B. hyperbolisch) erweitert und so eine Verschwenkung der ersten Welle inner­halb der zweiten Welle bis zu einem bestimmten, von der Kegelschnittform abhängigen Winkel (z. B. 15°) ermöglicht, und daß von dieser inneren Oberfläche der zweiten Welle zwei um 180° umfangsmäßig zueinander versetzte, zur Wellenachse der zweiten Welle parallel verlaufende Nuten konstanter Breite und konstanter Tiefe mit Bezug zueinander ausgehen, die die Stiftenden axial Verschieblich aufnehmen.

Durch diese Maßnahmen wird in verhältnismäßig einfacher Weise eine Flexkupplung geschaffen, die sowohl eine gering­fügige axiale Verschiebung wie auch eine für die hier in Rede stehenden Anwendungsfälle ausreichende winkelmäßige Verschwenkung und Parallelverschiebung (bei doppelter Anord­nung) der beiden miteinander zu verbindenden Wellen ermög­licht, andererseits aber eine praktisch torsionsspielfreie Drehübertragung ergibt.

Die Präzision der Verschwenkungsbewegung läßt sich vergrö­ßern, wenn die Stirnflächen der Stiftenden in Axialschnitt­ ansicht durch die Stiftachse auf einem gemeinsamen Kreis liegen, dessen Durchmesser dem Abstand der Nutenböden ent­spricht. Auf diese Weise wird erreicht, daß bei Verschwen­kung der Wellenachse zueinander die Stirnflächen der Stift­enden stets an den Nutenböden weitgehend spielfrei anliegen.

Aus fertigungstechnischen Gründen und auch zur Erleichterung der Montage kann es günstig sein, wenn der die Axialeinsen­kung aufweisende Teil der zweiten Welle von einer ersten Hülse aus Metall, wie Stahl, gebildet ist, der mit dem übrigen Teil der zweiten Welle starr verbunden ist. Diese Verbindung kann insbesondere eine Verschweißung darstellen. Die zweite Welle kann wiederum einen aus Isoliermaterial bestehenden Teil aufweisen, der von dem einen Ende einer zweiten Hülse aus Metall fest umschlossen ist, dessen ande­res Ende an der ersten Hülse starr befestigt, wie ange­schweißt, angelötet oder angeklebt oder auch mit dieser einstückig ist. Auf diese Weise läßt sich in einfachster Form eine gegenseitige Isolierung der beiden zu verbindenden Wellenenden ermöglichen, was bei Schalterantriebsanwendungen von Vorteil sein kann.

Die zweite Hülse kann dabei mit der Isoliermaterialwelle mittels Spannstiften verbunden sein.

Das offene Ende der Axialeinsenkung der zweiten Welle ist vorzugsweise mit einer die erste Welle dicht umschließenden Gummidichtung abgedeckt, so daß das Eindringen von Schmutz in den zweiten Bereich vermieden wird, andererseits kann in den Gelenkbereich ein Schmiermittel eingebracht werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß dieses Schmiermittel in unge­wünschter Weise aus dem Gelenkbereich austritt.

Gemäß einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung ist das aus Isoliermaterial bestehende Teil beidseitig mit jeweils erster und zweiter Hülse verknüpft und die erste Welle mit einer entsprechenden geformten dritten Welle ver­ bunden, so daß sich eine Gelenkwelle mit verdoppelter Aus­lenkungsfähigkeit ergibt, mit der beispielsweise zwei Schal­ter verbunden werden können.

Auf diese Weise läßt sich eine symmetrische Gelenkwelle erreichen, die an einem Ende in einem Abtriebslager, wie in einem Schalterhebellager, und am anderen Ende in einem weiteren derartigen Abtriebslager, oder in einem Hilfslager, oder aber in einem Antriebslager, wie Lager eines elektri­schen oder pneumatischen oder handbetätigten Antriebs ge­lagert ist.

Von besonderer Bedeutung ist eine Anwendung, bei der eine Reihe von nebeneinander im Abstand zueinander angeordneten Leistungsschaltern - Kurzschließern - jeweils von einer Gelenkwelle miteinander in mechanischer Verbindung stehen, wobei mindestens zwischen zwei derartigen Leistungsschalter anstelle einer Gelenkwelle ein Antriebsaggregat angeordnet ist. Bei Bedarf kann dieses Antriebsaggregat auch mit den jeweils benachbarten Schaltern über wiederum eine erfin­dungsgemäße Gelenkwelle mechanisch verbunden sein.

Bei sehr langen Ketten von derartigen Leistungsschaltern kann es zweckmäßig sein, zwei Antriebsaggregate vorzusehen, die jeweils nahe einem der beiden Enden der Schalterkette angeordnet und gemeinsam pneumatisch, elektrisch oder auf sonstige Weise synchron angetrieben werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbei­spielen näher erläutert, die in den Zeichnungen dargestellt sind.

Es zeigt:

• Fig. 1 in einer teilweise axial geschnittenen Ansicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flex­kupplung in Form einer Gelenkwelle;
• Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II der Fig. 1;
• Fig. 3 eine Ansicht von außen auf die Anordnung gemäß Fig. 1;
• Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel, wobei der zwei über ein isolierendes Wellenstück miteinander verbundene Gelenkwellen ein Verbindungsaggregat mit einem Schalterantrieb verkuppeln; und
• Fig. 5 eine ähnliche, jedoch verkleinerte Darstellung einer Anordnung gemäß Fig. 4, um darzustellen, wie weitere Schaltereinheiten hinzugefügt werden können.

In Fig. 1 ist eine Flexkupplung 10 in einer Schnittdarstel­lung zu erkennen, die eine erste Welle 12 (z. B. kann es sich um eine Schalterwelle handeln) mit einer zweiten Welle 14 (z. B. Antriebswelle eines Antriebsaggregates) verbinden soll. Wie zu erkennen ist, ist die erste Welle 12 nahe ihrem Ende mit einer Radialdurchgangsbohrung 16 versehen, in der vorzugsweise verschieblich ein Stift 18 angeordnet ist, dessen über die Umfangsfläche 20 der Welle hinausragende Enden 22, 24 parallel zueinander liegende Abflachungen 26 aufweisen, beispielsweise hergestellt durch Abschleifen des ursprünglich runden Stiftendes an zwei sich gegenüberliegen­den Seiten. Auf diese Weise bilden die beiden Enden des Stiftes 18 jeweils eine Art Keil oder Paßfeder mit einer Federbreite 28 bzw. 30, welche Federbreiten 28, 30 vorzugs­weise gleich groß sind, aber nicht unbedingt gleich groß sein müssen.

Die zweite Welle 14 wiederum besitzt nahe ihrem Ende eine Axialeinsenkung 32, in die das Ende der ersten Welle 12 auf­nehmbar ist. Die Axialeinsenkung 32 besitzt einen Innenquer­schnitt, der von einem engsten, die erste Welle 12 nur noch mit geringem Radialspiel umfassenden Querschnitt 34 nach beiden Axialrichtungen hin trichterförmig sich erweitert, siehe die Bezugszahl 36, so daß eine Verschwenkung der Welle 12 innerhalb des Rohres, das die Welle 14 hier bildet, um einen maximalen Winkel 38 noch ermöglicht wird, wobei die Größe dieses Winkels 38 von der Ausbildung des Trichters 36 abhängig ist und bei der hier dargestellten Ausführungsform 15° beträgt. Die dargestellte Schnittlinie 36 ist nicht genau die Querschnittslinie, weil es sich um die Kante einer von zwei Nuten 40 handelt, die in der inneren Oberfläche der zweiten Welle 14 an jeweils um 180° umfangsmäßig versetzten Stellen angeordnet sind und zur Wellenachse 42 der Welle 14 parallel verlaufen. Diese Nuten besitzen konstante Breite 28 bzw. 30 und im Gegensatz zur inneren Fläche der Welle 14 eine entlang der Wellenachse 42 konstante Tiefe Entfernung der Bodenflächen 44 zueinander. In diesen Nuten sind die angeflachten Enden 22 bzw. 24 des Stiftes 18 verschieblich gelagert und ergeben so die Drehverbindung zwischen den beiden Wellen, bei gleichzeitiger axialer Verschieblichkeit und Verschwenkbarkeit der beiden Wellen zueinander um den Winkel 38, und Parallelverschieblichkeit der zu verbindenden Wellen, wenn wie in Fig. 1, die Anordnung 10 doppelt vorhan­den ist, siehe Bezugszahl 110.

Um die Stirnenden des Stiftes 18 möglichst exakt in den beiden Nuten 40 mit geringem Spiel an den Bodenflächen 44 anliegend und trotzdem verschwenkbar und mit konstantem Spiel lagern zu können, ist die Stirnfläche 46 gekrümmt, und zwar derartig, daß in einer Axialschnittansicht durch die Stiftachse (entspricht hier der Seitenansicht gemäß Fig. 1) diese Stirnflächen 46 auf einem gemeinsamen Kreis (siehe dessen Radius 48) liegen, dessen Durchmesser (doppelter Radius 48) nahezu dem Abstand 44 der beiden Nutenböden entspricht.

Es ist verhältnismäßig kompliziert, eine Welle mit einer Einsenkung 40 der beschriebenen Art zu versehen, insbeson­ dere wegen der sich ergebenden Hinterschneidung am inneren Ende dieser Einsenkung. Zweckmäßiger ist daher eine Kon­struktion, wie sie auch bei der in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform gewählt wurde, bei der die Axialeinsenkung 32 die Form einer ersten Hülse 50 aus Metall, insbesondere aus Stahl hat, an welche Hülse 50 eine zweite Hülse 52 von an die jeweiligen Verhältnisse anpaßbarer Länge starr ange­bracht sein kann, beispielsweise durch Verschweißen, siehe die Schweißnaht 54. Dadurch, daß dieses weitere Wellenteil Hülsenform hat, wird zum einen Material eingespart, was deswegen bedeutungsvoll ist, weil dieses Hülsenteil 52 bei späterer Anwendung die größeren Strecken überqueren soll, die zwischen zwei anzutreibenden Schaltern oder einem Schal­ter und einer Antriebseinrichtung bestehen. Zum anderen ergibt sich die vorteilhafte Möglichkeit in einfacher Weise ein erstes Hülsenteil 52 mit einem zweiten Hülsenteil 152, die vorzugsweise aus Metall bestehen, mittels eines zylin­drischen Isolierstückes 56 so zu verbinden, daß eine Isolie­rung zwischen diesen beiden Metallteilen 52, 152 entsteht. Das zylindrische Isolierstück 56 wird dabei in die Hülsen­enden eingeschoben und durch Verstiftung mittels Spannstif­ten 58 festgelegt.

Die Hülse 152 kann Teil einer Flexkupplung 110 sein, die identischen Aufbau haben mag, wie die bereits beschriebene Flexkupplung 10. Auf diese Weise entsteht eine Gelenkwelle 60, wie sie in Fig. 3 nochmals in einer Draufsicht darge­stellt ist, bei der die Achse 62 der Welle 12 bezüglich der Achse 42 der Welle 52 bzw. 152 um einen maximalen Winkel 38 verschwenkt sein kann, während die Welle 112 bezüglich der Welle 152 wiederum um einen Winkel 138 verschwenkbar ist, so daß sich für diese Anordnung der zulässige Gesamtwinkel der Verschwenkung verdoppelt und außerdem Parallelverschiebung der zu verbindenden Wellen ermöglicht wird.

Der Stift 18 ist deswegen zweckmäßigerweise in der Bohrung 16 verschieblichgelagert, um eine bessere Anpassung seiner Enden an die Nutenböden zu ermöglichen. Falls eine so genaue Anpassung nicht erforderlich ist, könnte der Stift 18 auch in die Bohrung 16 eingepreßt, also axial nicht verschieblich sein.

Es ist zweckmäßig, den von der Axialeinsenkung 32 gebildeten Hohlraum, in dem sich die Gleitflächen zwischen dem Stift 18 und den Nutenböden und Wänden befinden, gegen Verschmut­zungseinflüsse abzuschirmen, wozu hier eine Gummiabdeckung 64 dient, die so ausgestaltet und flexibel ist, daß sie die Bewegung der Welle 12 in Richtung des Winkels 38 ermöglicht, andererseits aber bei dieser Bewegung sowohl die Welle 12 dicht umschließt als auch eine dichte Verbindung mit der ringförmigen Stirnfläche 66 der Hülse 50 ermöglicht. Der dadurch gebildete abgeschlossene Hohlraum könnte zudem mit einem Schmierfett gefüllt werden, um so eine abriebfreie Bewegung zwischen den Abflachungen 26 des Stiftes 18 einer­seits und den Nutwänden der Nut 40 andererseits wie auch zwischen den Stirnflächen 46 des Stiftes 18 und den Boden­flächen der Nuten 40 zu ermöglichen. Des weiteren wird auch der Abrieb zwischen dem Wellenumfang der Welle 12 und den kegelschnittartigen, die beiden Trichter bildenden Innen­flächen der Hülse 50 abgebildet.

In Fig. 4 ist ein Anwendungsfall dargestellt, wobei ein pneumatischer Antrieb 68 über zwei Gelenkwellen der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform 60 mit der Antriebs­stange 70 eines hier nicht näher dargestellten Schalters 72 verbunden ist, welcher Schalter 72 über eine Schiene 74 mit ähnlichen weiteren Schaltern in Verbindung steht, wie aus Fig. 5 hervorgeht. Wie in Fig. 5 zu erkennen ist, sind die Hülsen 52 der einzelnen Flexkupplungen unterschiedlich lang, vgl. die Hülsen mit den Bezugszahlen 152, 52, 252, 352. Die Verkürzung der Hülsen 52 und 152 ist bedingt durch die Zwischenschaltung des Antriebs 68 zwischen zwei Schalter­gruppen, Bezugszahlen 72, 172, während dieser Antrieb zwi­schen den Schaltergruppen 72 bzw. 272 entfällt und daher dort längere Hülsen zur Anwendung gelangen. Die Abstände 74 zwischen den einzelnen Schaltergruppen sind hier gleich gewählt und betragen beispielsweise größenordnungsmäßig 1,50 m.

Die Fig. 5 ist ein Ausschnitt aus einer Reihenanordnung von insgesamt 10 derartigen Schaltergruppen, wobei die Fig. 5 das rechte Ende wiedergibt, während das linke Ende mit den restlichen sieben Schaltergruppen nicht mehr dargestellt ist. Man kann sich am linken Ende aber ein zwischen der zweiten und dritten Schaltergruppe einen ähnlichen Antrieb vorgesehen denken, wie er hier zwischen den Schaltergruppen 8 und 9 angeordnet ist, wobei die Antriebe 68 durch gemein­same Pneumatikleitungen 76, 78 betrieben werden. Die Anord­nung läßt auch deutlich werden, daß der Antrieb wegen des langen Hebelarms 70 nur um ein geringes Winkelstück erfolgt, andererseits aber mit einem verhältnismäßig hohen Dreh­moment, so daß es auf eine Flexkupplung ankommt, die auch nur geringes Winkelspiel vermeidet, da sonst an entfernt vom Antrieb 68 angebrachten Schalteinrichtungen (beispielsweise die Schalteinrichtungen 5 und 6) es zu Spielsummierungen käme, die möglicherweise zu einem Versagen des Ab- oder Anschaltens führen würde.