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Title:
COUPLING DEVICE FOR CONNECTING THE CRANKSHAFT OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND OF AN ELECTRIC GENERATOR
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/029431
Kind Code:
A1
Abstract:
The aim of the invention is to provide a drive connection with high torsional rigidity and low flexural strength between the crankshaft (3) of a diesel engine and the rotor (1) of an electric generator, in such a way that bending vibrations are decoupled as much as possible between the crankshaft (3) and the rotor (1) when said elements are connected in a fixed driving manner. To this end, a bowl-type coupling disk (12) is provided as a coupling element, said coupling disk being connected to a carrier sleeve (11) on the radial inner end thereof and to the cited rotor (1) on the radial outer end thereof, that is the periphery, in a fixed manner. The wall of the coupling disk (12) is embodied in a wave-like manner and the wall thickness and radial extension thereof are selected such that a high torsional rigidity is provided with low flexural strength and the rotor (1) is extensively decoupled in relation to flexural vibrations which are caused by the crankshaft (3). Simultaneously, however, a stable torque transmission is provided.

Inventors:
Hanula, Barna (Hausfeld 81, Wuppertal-Beyenburg, 42399, DE)
Mück, Andreas (Sonnenweg 43, Bergisch Gladbach, 51465, DE)
Schlüter, Christian (Fritz-Reuter-Weg 2a, IserIohn Letmathe, 58642, DE)
Application Number:
PCT/EP2003/010357
Publication Date:
April 08, 2004
Filing Date:
September 18, 2003
Export Citation:
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Assignee:
DR. SCHRICK GMBH (Dreherstrasse 3-5, Remscheid, 42899, DE)
Hanula, Barna (Hausfeld 81, Wuppertal-Beyenburg, 42399, DE)
Mück, Andreas (Sonnenweg 43, Bergisch Gladbach, 51465, DE)
Schlüter, Christian (Fritz-Reuter-Weg 2a, IserIohn Letmathe, 58642, DE)
International Classes:
F02B63/04; F02B67/00; F02B75/34; F16D3/77; H02K7/00; F02B3/06; (IPC1-7): F02B63/04; F02B67/00; F02B75/34; F16D3/77; H02K7/00; H02K7/18
Foreign References:
US5219314A
FR2027007A1
GB733885A
US4638172A
EP0877154A2
US2360821A
Attorney, Agent or Firm:
Sobisch, Peter (Sobisch & Callies, Odastrasse 4a, Bad Gandersheim, 37581, DE)
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Claims:
ANSPRÜCHE
1. Kupplungseinrichtung zur Verbindung zweier Maschinenelemente, insbeson dere der Kurbelwelle (3) einer für ein Fahrzeug bestimmten Verbrennungs kraftmaschine mit dem Rotor (1) eines elektrischen Generators gekenn zeichnet durch ein Kupplungselement mit hoher Torsionsund niedriger Bie gesteifigkeit, welches einerseits mit der Kurbelwelle (3) und andererseits mit dem Rotor (1) in fester Verbindung steht, so dass bei antriebsstarrer Verbin dung eine weitestgehende Entkopplung von Biegeschwingungen der beiden Maschinenelemente gegeben ist.
2. Kupplungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (2,2') des Rotors (1) und der Kurbelwelle (3) im Ruhezustand fluchtend zueinander verlaufen.
3. Kupplungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement durch eine schüsselartig gestaltete Kupplung scheibe (12) gebildet ist, die mit Abstand an ihren jeweiligen radial inneren und äußeren Bereichen mit den zu kuppelnden Maschinenelementen in Ver bindung steht.
4. Kupplungseinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungsdicke (20) der Kupplungsscheibe (12) in Verbindung mit der Strukturierung deren radial mittleren Bereichs mit der Maßgabe gewählt ist, dass diese bezogen auf die Achse (2') der Kurbelwelle (3) eine niedrige Bie gesteifigkeit aufweist.
5. Kupplungseinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsscheibe (12) im eingebauten Zustand nach Maßgabe der zu erwartenden Biegeschwingen unbehindert elastisch deformierbar ist.
6. Kupplungseinrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, dass das der Kupplungsscheibe (12) zugekehrte Ende des Rotors (1) zumindest teilweise in deren schüsseiartige Struktur hineinragt.
7. Kupplungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gekennzeichnet durch eine Anwendung bei für den Flugbetrieb bestimmten Dieselmotoren.
8. Kupplungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn zeichnet, dass der Rotor (1) an seinem einen Ende innerhalb eines Gehäu ses (5) und an seinem anderen Ende unter Zwischenanordnung des Kupp lungselements in der Kurbelwelle (3) gelagert ist.
9. Kupplungseinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche 3 bis 8 gekennzeichnet durch eine, zur starren Verbindung mit dem zugekehrten Ende der Kurbelwelle (3) bestimmte Kupplungsmuffe (9), in welche eine Trägermuffe (11) eingesteckt ist, an deren Außenseite die Kupplungsscheibe (12) befestigt ist.
10. Kupplungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungsscheibe (12) an ihrer Peripherie mit dem Rotor (1) verschweißt ist.
Description:
BESCHREIBUNG Kupplungseinrichtung zur Verbindung der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine und eines elektrischen Generators Die Erfindung bezieht sich auf eine Kupplungseinrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Herstellung einer antriebstechnischen Verbindung zwischen der Kur- belwelle einer Verbrennungskraftmaschine und dem Rotor eines dieser in ei- nem Fahrzeug zugeordneten elektrischen Generators ergibt sich in Abhängig- keit von dem Übertragungsverhalten dieser Verbindung unbestimmten Bedin- gungen das Problem, dass störende Schwingungen von der Kurbelwelle auf den Rotor übertragen werden können.

So besteht zur Zeit ein zunehmendes Interesse bei unbemannten, im Regelfall im militärischen Bereich einzusetzenden Flugzeugen die bisher verwendeten, jedoch nur ein geringes Leistungsgewicht aufweisenden Zweitakt-Otto-Motoren durch kleinere, äußerst leicht bauende, hoch verdichtende Dieselmotoren zu ersetzen.

Die im Hause der Anmelderin bisher bekannte konstruktive Lösung, wonach der Rotor des Generators starr mit der Kurbelwelle verbunden ist, stößt mit der Forderung nach Leichtbauweise in diesen Anwendungsfällen jedoch auf Gren- zen, die sich unmittelbar aus mechanischen Wechselwirkungen dieser beiden Bauteile ergeben.

Der anwendungsbedingt notwendige Leichtbau führt zu einer gestalffesten Bauweise sowie zu einer Verwendung hochfester Werkstoffe, welches aber bei den hier infrage kommenden Dieselmotoren infolge hoher Spitzendrücke von bis zu 150 bar beträchtliche elastische Deformationen der Kurbelwelle mit sich bringt. Dies bedeutet, dass der Drehung der Kurbelwelle um ihre Achse eine

Kreis-bzw. Biegeschwingung überlagert ist, ein Zustand, dem auch das freie, zum Ankuppeln des Generators zu benutzende Wellenende ausgesetzt ist.

Würde nunmehr unter diesen Bedingungen der Generator unmittelbar mit die- sem Wellenende gekuppelt, welches sich an sich aus Gründen der Masse-, jedoch auch der Bauvolumenreduzierung anbietet, würde auch diese Biege- schwingung auf den Rotor übertragen. Dies wiederum würde über Schwankun- gen des Luftspaltes zwischen Stator und Rotor zumindest zu dementsprechen- den Reluktanzschwankungen des magnetischen Kreises des Generators und letztendlich zu einer Beeinträchtigung dessen Leistung führen. Außerdem könnte das Ausmaß der zu erwartenden Deformation des Rotors eine solche Größenordnung erreichen, die bereits aus mechanischen Gründen nicht mehr tolerierbar ist.

Problematisch für eine direkte Ankupplung des Generators ist somit, dass die- ser nach Maßgabe eines möglichst konstanten Luftspaltes betrieben werden muß, ein Umstand, welcher der Forderung nach hoher Verdichtung und äußerster Leichtbauweise des für einen Flugbetrieb konzipierten Dieselmotors entgegensteht.

Es ist vor diesem Hintergrund die Aufgabe der Erfindung, eine Kupplungsein- richtung der eingangs bezeichneten Art zu entwerfen, welche eine unmittelbare Anbindung des Rotors des Generators an die Kurbelwelle ermöglicht, und zwar bei geringem Bauvolumen und konstantem Luftspalt sowie unabhängig von deformationsbedingten Auslenkbewegungen, so dass eine Verwendung insbe- sondere bei für den Flugbetrieb bestimmten Leichtbau-Dieselmotoren gegeben ist. Gelöst ist diese Aufgabe bei einer solchen Kupplungseinrichtung durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruchs 1.

Erfindungswesentlich ist hiernach ein besonderes Kupplungselement, welches die Antriebsverbindung zwischen dem Rotor einerseits und der Kurbelwelle an- dererseits bildet. Dieses ist dahingehend angelegt, dass eine starre Torsi- onsanbindung zwischen den zu kuppelnden Maschinenelementen, jedoch gleichzeitig eine hinsichtlich Biegebeanspruchungen weitestgehende Entkopp-

lung gegeben ist. Elastische Biegedeformationen, die in dem einen der beiden Maschinenelemente auftreten, wirken somit nicht auf das jeweils andere Ma- schinenelement ein und werden innerhalb des Kupplungselements aufgefan- gen. Angewandt auf das Problem der antriebstechnischen Verbindung zwi- schen einem Rotor eines Generators und einer Kurbelwelle einer Verbren- nungskraftmaschine bedeutet dies, dass elastische Biegedeformationen der Kurbelwelle keine Funktionsstörungen im Bereich des Generators nach sich ziehen, der somit hinsichtlich auftretender Biegedeformationen der Kurbelwelle entkoppelt betrieben werden kann. Dies wiederum eröffnet die Möglichkeit einer einfachen und raumsparenden Kopplung einer nach Leichtbauprinzipien aus- gelegten hochverdichtenden Verbrennungskraftmaschine mit dem Rotor des ihr zugeordneten Generators. Jede, dem einschlägigen Durchschnittsfachmann geläufige Kupplungselement, welches diese Eigenschaften in sich vereinigt, kann erfindungsgemäß eingesetzt werden.

Die im Ruhezustand fluchtende Anordnung der Achsen der Kurbelwelle sowie des Rotors entsprechend den Merkmalen des Anspruchs 2 eröffnet konstruktiv einfache bauvolumensparende Ausführungsformen des Gesamtsystems, wobei der Generator mit dem Motor eine Baueinheit bildet.

Die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 sind auf eine besonders vorteilhafte kon- struktive Konkretisierung des Kupplungselements gerichtet. Dieses weist hier- nach eine schüsselartige Gestalt auf, die rotationssymmetrisch zu der Achse des einen der beiden zu kuppelnden Maschinenelemente angeordnet ist und welche unter radialem Abstand mit Befestigungsbereichen versehen ist, über welche eine Anbindung an die jeweiligen Maschinenelemente erfolgt. Bereits die Schüssel-bzw Tellergestalt kann aufgrund ihrer mechanischen Eigen- schaften bezüglich ihrer Achse als biegeweich, jedoch torsionsstarr angesehen werden. Dieser Umstand wird erfindungsgemäß durch eine Strukturierung ins- besondere des radial mittleren Bereichs dieser Kupplungsscheibe unterstri- chen, wobei über eine Dimensionierung der Wandungsstärke in Verbindung mit einer entsprechenden Werkstoffwahl eine Kupplungsscheibe herstellbar ist, welche die Eigenschaften Torsionsstarrheit und Biegeweichheit vereinigt. Diese

Strukturierung der Kupplungsscheibe kann beispielweise in einer Wellenge- staltung liegen, deren Wellenkämme sich peripher zu der Achse des einen der zu kuppelnden Maschinenelemente erstrecken.

Die Merkmale der Ansprüche 5 und 6 sind auf die weitere Ausgestaltung der Kupplungsscheibe, insbesondere deren Einbauverhältnisse in die Kupplung- einrichtung eingerichtet. Wesentlich ist insoweit, dass die Kupplungsscheibe unter dem Einfluss von in diese eingeleiteten Biegeschwingungen behinde- rungsfrei deformiert werden kann, ohne hierbei ihre Eignung zur Bildung einer torsionsstarren Verbindung zu verlieren. Dies setzt nach Maßgabe des Ausma- ßes der biegungsbedingt zu erwartenden Deformationen einen Freiraum im Nahbereich der Kupplungsscheibe im eingebauten Zustand voraus. Dadurch, dass das der Kupplungsscheibe zugekehrte Ende des Rotors teilweise in diese hineinragt, ergibt sich eine besonders raumsparende Bauweise.

Eine Anwendung bei hochverdichtenden Leichtbau-Dieselmotoren, die für ei- nen Flugbetrieb bestimmt sind, ist gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7 als der bevorzugte Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Kupplungseinrichtung zu sehen, da bei diesem Motorentyp sich die eingangs dargelegte Problematik der direkten Anbindung sich in aller Schärfe zeigt. Ein Interesse an kleinbauen- den Leichtbau-Dieselmotoren, die sich durch ein hohes Leistungsgewicht aus- zeichnen, besteht jedoch aus energetischen Gründen sowie einer verbesserten Kraftstoffausnutzung prinzipiell allgemein im Fahrzeugbau, insbesondere auch bei Personenkraftfahrzeugmotoren.

Die Merkmale des Anspruchs 8 verdeutlichen, dass unter Verwendung der er- findungsgemäßen Kupplungseinrichtung der Motor, beispielsweise ein Diesel- motor und der diesem zugeordnete Generator eine Baueinheit bilden, nachdem der Rotor an seinem einen Ende innerhalb eines Generatorgehäuses und an seinem anderen Ende unter Zwischenanordnung der Kupplungsscheibe auf bzw. in der Kurbelwelle gelagert ist. Ein von der Kurbelwelle unabhängiges zweites Lager für den Rotor erübrigt sich somit. Neben einer entsprechenden

Masseeinsparung trägt auch dieser Umstand zu einer raumsparenden Bau- weise bei.

Die Merkmale der Ansprüche 9 und 10 sind auf eine weitere Konkretisierung der Kupplungseinrichtung gerichtet. Diese kann im einfachsten Fall aus einer Trägermuffe bestehen, die an ihrem einen Ende mit der Kurbelwelle in Verbin- dung steht und auf der beispielsweise an dem diesem gegenüberliegenden Ende die Kupplungsscheibe befestigt ist. Als Bindeglied zwischen der Träger- muffe und der Kurbelwelle kann auch eine Kupplungsmuffe treten, die funktio- nell und räumlich zwischen der Trägermuffe und der Kurbelwelle angeordnet ist.

Man erkennt, dass in der erfindungsgemäßen Kupplungseinrichtung eine Bau- gruppe zur Verfügung gestellt wird, die nahezu ohne konstruktive Eingriffe in die Kurbelwelle sowie den Rotor einsetzbar ist und die einen von Biegeschwin- gungen freien Betrieb des Rotors ermöglicht. Sie bildet eine wesentliche Vor- aussetzung für den stabilen störungsfreien Betrieb eines hochverdichtenden für einen Flugbetrieb konzipierten Leichtbau-Dieselmotor.

Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf das in den Zeichnun- gen schematisch wiedergegebene Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Es zeigen : Fig. 1 eine Schnittdarstellung zwischen Kurbelwelle und Generator eines erfin- dungsgemäßen Dieselantriebs ; Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung einer Einzelheit II der Fig. 1 im Schnitt.

Mit 1 ist in Fig. 1 der Rotor eines Drehstromgenerators bezeichnet, dessen Achse 2 sich fluchtend zu der Achse 2'der Kurbelwelle 3 eines als Flugmotor konzipierten Dieselmotors erstreckt. Der Rotor 1 ist an seinem in der Zeichnung rechtsseitigen Ende über ein Wälzlager 4 in einem ortsfest angeordneten, auf seiner, der Kurbelwelle 3 zugekehrten Seite 5'offenen Gehäuse 5 gelagert.

Das Gehäuse beinhaltet in üblicher Weise den zugehörigen Stator, auf dessen zeichnerische Wiedergabe jedoch verzichtet worden ist.

Die Kurbelwelle 3 ist an ihrem, dem genannten Generator zugekehrten Ende durch eine, sich koaxial zu deren Achse 2'erstreckende Ausnehmung 6 ge- kennzeichnet, die mit einem Innengewinde 7 versehen ist. In diese Ausneh- mung 6 ist das eine Ende 8 einer Kupplungsmuffe 9 eingeschraubt, deren an- deres Ende 10 innenseitig einen sich kegelartig in Richtung auf die Seite 5'des Generators hin erweiternden Eingangsabschnitt 9'bildet, der der Aufnahme einer außenseitig komplementär kegelartig ausgebildeten Trägermuffe 11 dient.

An dem freien, aus der Kupplungsmuffe 9 herausragenden Ende dieser Trä- germuffe 11 befindet sich eine im Folgenden noch genauer zu beschreibende membranartige Kupplungsscheibe 12.

Die Kupplungsmuffe 9 ist im Übrigen als durchgängiger Hohlkörper ausgebildet, wobei sich an den Eingangabschnitt 9'eine mit einem Innengewinde 13 verse- hene Durchgangsbohrung 14 befindet, die der Aufnahme einer, die Träger- muffe 11 und somit die Kupplungsscheibe 12 an der Kupplungsmuffe 9 befesti- genden Spannschraube 15 dient.

Zur Beschreibung der Kupplungsscheibe 12 wird im Folgenden ergänzend auf die zeichnerische Darstellung der Fig. 2 Bezug genommen, in der gleiche Funktionselemente mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, so dass auf eine diesbezügliche wiederholte Beschreibung verzichtet werden kann.

Die Kupplungsscheibe 12 steht an ihrem radial inneren Ende mit der Träger- muffe 11 in fester Verbindung und weist eine, in einem Axialschnitt gesehen leicht wellige Gestaltung auf. Sie ist an ihrem radial äußersten Ende an der Stelle 16 in Umfangsrichtung linienförmig mit dem Rotor 1, nämlich einem mit diesem in fester Verbindung stehenden scheibenartigen Bauteil 14 ver- schweißt, beispielsweise mittels einer Laserschweißung.

Das Bauteil 17 bildet auf der Seite 5'eine zentrale, rotationssymmetrisch zu der Achse 2 verlaufende Ausnehmung 18, in welche der Kopf 19 der Spann- schraube 15 hineinragt. Wesentlich ist, dass zwischen den äußeren radialen Abmessungen des Kopfes 19 und den inneren radialen Abmessungen der Ausnehmung 18 ein solcher Spalt besteht, der biegungsbedingte radiale Aus- lenkungen der Kurbelwelle 3 und dementsprechend des Kopfes 19 behinde- rungsfrei zulässt.

Die Kupplungsscheibe 12 ist dahingehend ausgebildet, dass diese global eine in Richtung zu der Seite 5'hin offene schüsselartige Gestalt aufweist. Dies bringt in Verbindung mit deren welliger Ausbildung den Vorteil mit sich, dass sich aus dem Zusammenwirken einer Bemessung der Wandungsdicken 20 der Kupplungsscheibe und deren radialer Erstreckung, insbesondere dem radialen Abstand der sich in Umfangsrichtung an der Stelle 16 linienhaft erstreckenden Befestigung an dem Bauteil 17 mechanische Eigenschaften darstellen lassen, die deren Übertragungseigenschaften betreffen und die durch eine niedrige Biegesteifigkeit bei gleichzeitig hoher Torsionssteifigkeit charakterisiert sind.

Dies bedeutet, dass der Rotor 1 von den durch die Kurbelwelle 3 entwickelten Biegeschwingungen weitestgehend entkoppelt ist, welche somit lediglich zu Verformungen der Kupplungscheibe 12 führen und dass im übrigen eine stabile Drehmomentübertragung gegeben ist.

Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellte, zur Bereitstel- lung einer Antriebverbindung zwischen der Kurbelwelle eines Dieselmotors und dessen Generator beschränkt. Sie erstreckt sich auf sämtliche, in vergleichba- ren Funktionszusammenhängen einsetzbare Kupplungseinrichtungen, bei de- nen unter Entkopplung von Biegeschwingungen zwischen zwei Maschinenag- gregaten im übrigen eine stabile Antriebsverbindung bereitgestellt werden soll.