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Die
Erfindung betrifft eine Spannwelle zum Aufspannen eines zunächst beweglichen
Umfangteils mit einem Aufspannmittel zur bei Bedarf spannenden Befestigung
des Umfangteils gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung kann bei einem System aus einer Spannwelle
und einer Hülse
etc. sowie bei einer Rotationsdruckmaschine verwendet werden.
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Spannwellen
sind für
eine Reihe von industriellen Anwendungen erforderlich. Bei Spannwellen
handelt es sich in der Regel um drehende Teile. Bei diesen wird üblicherweise
ein zu nächst
bewegliches Umfangteil, z. B. eine Hülse, über expandierbare Elemente
auf die Spannwelle aufgespannt und dadurch spannend an der Spannwelle
befestigt, so dass die Spannwelle mit Umfangteil für eine drehende
Anwendung zur Verfügung
stehen. Die Befestigung ist dabei in der Regel über einen Kraftschluss, insbesondere
einen Reibschluss, zwischen dem expandierbaren Aufspannmittel der
Spannwelle und dem Umfangteil hergestellt.
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Als
Aufspannmittel sind feste mechanisch aktuierte Aufspannmittel wie
aus der
EP 0 383 082
A2 bekannt. Insbesondere eignen sich jedoch pneumatisch
oder hydraulisch expandierbare Aufspannmittel zum Aufspannen eines
Umfangteils auf einer Spannwelle. Sie finden Anwendung bei Wickelprozessen
und vergleichbaren Prozessen, bei denen eine Rundlaufgenauigkeit
von einem bis einigen zehntel Millimeter ausreichend ist. Solche
Spannwellen sind beispielsweise beschrieben in der
US 3,904,144 A oder der
EP 0 629 576 A1 .
Bei der zuletzt genannten Spannwelle ist ein sich longitudinal erstreckender
Schaft mit einer umfänglichen Oberfläche vorgesehen,
auf der über
einen Fluiddruck expandierbare Kissen zum Aufspannen einer Hülse vorgesehen
sind. Diese Kissen wirken direkt auf die Hülse und sind je nach auftretendem
Kräfteverhältnis, insbesondere
bei einer rotatorischen Anwendung der Spannwelle, komprimierbar,
so dass eine symmetrische oder zentrische Lage sowohl der Hülse als
auch der Kissen zu der Spannwelle indifferent und in der Regel nicht gegeben
ist und bei rotatorischer Anwendung zu einer Unwucht bei solch einer
Spannwelle und einem System aus Spannwelle und Hülse führen kann.
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Eine
solche Spannwelle eignet sich womöglich für die Erzielung einer gewissen
Rundlaufgenauigkeit, jedoch nicht für die Erzielung einer Rundlaufgenauigkeit
im Bereich von einem hundertstel Millimeter oder einigen tausendstel
Millimeter. Ebenso verschlechtert sich die Rundlaufgenauigkeit bei
Zunahme der radialen Kräfte
und der zu übertragenen
Drehmomente, die auf die Spannwelle wirken. Aufgrund von zwangsläufig auftretenden
Fertigungstoleranzen der Spannwelle und der Hülse in Bezug auf Rundheit und
Geradheit haben alle bekannten Systeme auch zuviel Spiel zwischen
Spannwelle und Hülse.
Dies führt
dazu, dass der Reibschluss zwischen Spannwelle und Hülse ausschließlich über die
expandierbaren Kissen oder Elemente erfolgt. Lösungen zur Erreichung einer
Rundlaufgenauigkeit im Bereich eines Hundertstel oder einigen tausendstel Millimeter
sind bisher nicht bekannt.
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Die
DE 101 51 860 A1 offenbart
eine Spannwelle zum Aufspannen eines zunächst bewegbaren Umfangteils,
mit einem Aufspannmittel zur bei Bedarf spannenden Befestigung des
Umfangteils, wobei zusätzlich ein
Anschlagmittel vorgesehen ist, das ausgelegt ist, von dem Aufspannmittel
ausgeübte
Kräfte
und/oder von dem Umfangteil ausgeübte Kräfte zu begrenzen. Auf dem Rand
der Spannwelle sitzt ein Formstück
und hält eine
Dehnschicht und die Spannwelle formschlüssig zusammen. Das Formteil
weist eine zwischen Hülsenbohrung
und Spannwelle sitzende Dichtung auf. »An dieser Stelle setzt die
Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine Spannwelle, ein System
aus Spannwelle und Hülse
sowie eine Rotationsdruckmaschine anzugeben, wobei ein besonders
hoher Schutz vor Farbe gewährleistet
ist.
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Zur
Lösung
der die Spannwelle betreffenden Aufgabe geht die Erfindung, wie
in Anspruch 1 definiert, von einer Spannwelle der eingangs genannten
Art aus, bei der erfindungsgemäß zusätzlich ein
Anschlagmittel vorgesehen ist, das ausgelegt ist, von dem Aufspannmittel
ausgeübte
Kräfte
und/oder von dem Umfangteil ausgeübte Kräfte und Wege im gespannten
Zustand zu begrenzen, wobei die Spannwelle eine Dichtung im Randbereich,
beidseitig zwischen Hülsenbohrung
und Spannwelle, aufweist. Erfindungsgemäß wird die Dichtung durch ein
Druckmedium so betätigt,
dass der Randbereich der Verbindung zwischen Spannwelle und Hülse so abgedichtet
ist, dass bei Druckanwendungen keine flüssige Farbe eindringen kann.
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Weitere
Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche.
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Verwendungen
der Spannwelle sind in den Ansprüchen
19 bis 25 angegeben.
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Die
vorliegende Erfindung hat erkannt, dass, um das Abdichten sicherzustellen,
die Dichtung mit Druck gegen die Hülse beaufschlagt werden muss.
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Eine
Ausbildung besteht darin, dass zunächst bewegbare und dann spannend
an einer Spannwelle befestigte Teile als auch die dazu vorgesehenen
Spannmittel selbst zunächst
bewegbar sind und für
eine drehende Bewegung kraft- insbesondere reibschlüssig aneinander
und der Spannwelle befestigt sind. Dies schließt jedoch nicht aus, dass bei
einer drehenden Anwendung Kräfte
auftreten, welche die auf einem Kräftegleichgewicht basierende
spannende Befestigung ins Ungleichgewicht bringen können und
so zu einer erheblichen Unwucht und Ungleichlaufförmigkeit
führen.
Die wesentliche Erkenntnis liegt darin, die dabei auftretenden Kräfte zu begrenzen
und dabei von der Möglichkeit
einer Anlage, insbesondere formschlüssigen Anlage, solcher beweglichen
Teile Gebrauch zu machen. Dazu ist bei der Spannwelle, dem System
und der Rotationsdruckform ein Anschlagmittel vorgesehen. Bei dem
Verfahren nimmt das Anschlagmittel ausgeübte Kräfte auf und begrenzt so diese
Kräfte.
Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass die Übertragung hoher Kräfte in radialer,
umfänglicher
und axialer Richtung einer Spannwelle zugelassen wird, aber die
Kräfte über das
Anschlagmittel aufgenommen werden, so dass dies zu einer sehr hohen
Rundlaufgenauigkeit, insbesondere zu einer Rundlaufgenauigkeit im
Bereich von einem hundertstel oder einigen tausendstel Millimeter,
führt.
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Durch
die Gestaltung der Spannwelle als ein Teil, indem sämtliche
Baugruppen als eine Einheit zusammengeführt sind und zwischendurch
die Bohrungen und Aussparungen schrittweise eingebracht werden, zeichnet
sich die Spannwelle als besonders kostengünstig in der Herstellung aus.
Hieraus ergibt sich der Vorteil, dass die bevorzugte Ausführung keine
geführten
Teile als separate Baugruppen beinhaltet und dadurch weniger bewegte
Teile aufweist, welches sich positiv auf die Verschleißerscheinungen
und Genauigkeit auswirkt.
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Ebenso
wirkt sich die Erfindung durch eine Reduzierung der Herstellkosten
gegenüber
dem Stand der Technik aus. Die Einarbeitung der geometrischen Formen
im Folgenden als Taschen bezeichnet, für die Bauteile Spannpratzen,
der Anschlagmittel bzw. der Dehnbereiche kann von außen erfolgen
und somit entfällt
eine aufwendige Innenbearbeitung.
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Außerdem ist
es mit der Erfindung möglich,
eine Biegekompensation über
tiefen- und/oder flächenvariable
Gestaltung der Taschen zu realisieren. Die im Stand der Technik
angewendeten Maßnahmen,
wie Achskreuzung, Kurvenschliff der Walzenoberfläche oder Rollbending, können hier
kostengünstig
ersetzt oder ergänzt
werden. Die Gestaltung der hydraulischen Kammern, der Spannpratzen
sowie der Dehnbereiche kann nach belastungsangepasster Auslegung
für den
jeweiligen Anwendungsfall ausgeführt
werden. Durch die lokale Gestaltung der Dehnbereiche mit beispielsweise
einer reduzierten Wandstärke
b2 gegenüber
der Wandstärke
b1 ergeben durch den Krafteinfluss über die Druckbeaufschlagung
unterschiedlich starke Verformungen der Beschichtung in den jeweiligen
Bereichen S1 und S2. Hieraus ergibt sich folgende beispielhafte
Beziehung: b2 < b1 → S2 > S1
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Je
nach Anforderung und damit nach der Ausführung ergeben sich hier mehrere
verschieden große oder
kleine Verformungen zueinander. Diese Verformungen haben wiederum
unterschiedliche Einflüsse
auf die Hülse
und können
so nach passender Auslegung, belastungsangepasst der Linienlast
im Walzenspalt entgegenwirken.
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In
der
DE 101 51 860
B4 wird vorgeschlagen, die Beschichtung mit einem Funktionsprofil
zu versehen. Dieser Effekt und Nutzen kann wesentlich günstiger
in den Herstellkosten realisiert werden. Anstatt das Funktionsprofil
in der Beschichtung einzubringen, kann es in der Oberfläche der
Spannpratzen eingearbeitet werden und so der gleiche Effekt erzielt
werden. So wird in den so gestalteten Taschenprofilen die Beschichtung entsprechend
dicker eingebracht und erhält
damit unterschiedliche Federkennlinien passend zu den Einsatzzwecken.
Werden die beiden formgebenden Arbeitschritte Taschen einarbeiten
und Funktionsprofil einarbeiten zusammengefasst, ergeben sich weitere
Einsparungen in den Herstellkosten.
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Neben
der Beeinflussung der Linienlast über die Walzenoberflächenbreite
ist es in technischen Verfahren, beispielsweise in einer Bogenoffsetdruckmaschine
nötig,
auf unterschiedliche Belastungen während der Abrollung des Walzenumfanges
zu reagieren. Hier ergibt sich ebenfalls eine Lösung. Durch die Gestaltung der
Taschen an den verschiedenen Positionen am Umfang kann Einfluss
auf das Abrollverhalten genommen werden. Außerdem ergibt sich die Möglichkeit,
die Taschengeometrie in axialer Richtung flexibel zu gestalten. In
diesen Fällen
ist es möglich,
die Taschengeometrien belastungsangepasst auszulegen um so schwingungsarmen
Betrieb zu gewährleisten.
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Zur
Anpassung der Spannwelle an unterschiedliche Einsatzzwecke kann
die Spannwelle auch über partiell
ansteuerbare Druckkammern mit Druck beaufschlagt werden. Ein Druckunterschied
kann ebenso über Druckminderer,
die sich in der Spannwelle befinden, voreingestellt werden.
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Die
Spannpratzen können
beispielsweise auch durch ein fluides Medium ersetzt werden. Hierzu
müssen
die Druckpolster jedoch durch Dichtungen von einander isoliert werden.
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Eine
Spannwelle der vorgeschlagenen Art erlaubt eine hohe Umlaufgenauigkeit
allein schon dadurch, dass sie im expandierten Zustand bei ihrer
Herstellung oder auch nachträglich
im Einsatz geschliffen werden kann. Sie weist außerdem gute Verschleißeigenschaften
auf, insbesondere im Falle der beispielhaften Ausführungsform
von fluidgetriebenen Aufspannmitteln, da es praktisch keine mechanisch
geführten
und bewegten Teile gibt.
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Bei
einer Weiterbildung der Erfindung ist eine teil- oder voll-umfängliche
Dehnschicht auf der Spannwelle vorgesehen. Eine solche Schicht muss
nicht voll umfänglich
sein und könnte
sich nur auf die Oberfläche eines
Spannelementes beschränken.
Unter Dehnschicht ist eine elastische Schicht zu verstehen. Die
Elastizität
kann durch das Material der Dehnschicht gegeben sein und/oder durch
Vertiefungen oder Kanäle
in oder auf der Schicht. Die Dehnschicht könnte mit einem Funktionsprofil
versehen werden, das beispielsweise die Zuführung von Kühlmittel oder einem Heizmedium
erlaubt. Vorteilhaft ließe
sich ein solches Funktionsprofil bei einer voll umfänglichen
Schicht anbringen.
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Durch
die Gestaltung der Hohlräume
unter den Spannmitteln und durch die Verteilung der Anzahl und der
Ausführung
der Form der Spannmittel kann eine Durchbiegung, eine in der Technik
bekannte Biegelinie bei der bevorzugten Ausführung der Spannwelle beeinflusst
werden. Hieraus ergibt sich der Vorteil, gezielt einer beim Prägeprozess
auftretenden Durchbiegung des Werkzeuges entgegenzuwirken und eine
Biegekompensation auszulegen.
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Eine
die Spannwelle mitsamt der das Anschlagmittel umfänglich umgebenden
Schicht, vorteilhaft eine elastische Dehnschicht, bietet erhebliche
zusätzliche
Vorteile. So wirkt eine gegebenenfalls auftretende Kraft nicht direkt
auf das Anschlagmittel, sondern wird zunächst von der Dehnschicht aufgenommen.
Dies wird im Detail anhand der Figuren beschrieben werden. Eine
Dehnschicht erlaubt je nach Auslegung ihrer Elastizitätseigenschaften
eine progressiv ansteigende Kraft, die einer externen Kraft entgegenwirkt.
Dies führt
zu besonders guten, schwingungsdampfenden Eigenschaften bei einem
drehenden Teil wie die Spannwelle eines ist, insbesondere bei einem
System aus Spannwelle und Umfangteil, insbesondere einer Hülse. Vorteilhaft
ist eine solche Schicht auf der Spannwelle angebracht. Sie könnte jedoch
auch am Innenumfang einer Hülse
befindlich sein. Für
den Verlauf der genannten progressiven Kraft lassen sich unterschiedliche
progressive Kennlinien von Kraftverläufen einstellen, die im Belastungsfall
einer externen Kraft entgegenwirken. Je nach Anwendung und Bedarf
lassen sich für
die Dehnschicht Materialien mit verschiedenen E- oder K-Moduln verwenden.
Dehnschicht, Materialien der Dehnschicht und gegebenenfalls ein
Funktionsprofil der Dehnschicht sind vorteilhaft so ausgelegt, dass
bei einer auftretenden Kraft oder Kompression ein Übergang
vom E-Modulbereich in den K-Modulbereich bei der Dehnschicht möglichst
frühzeitig,
also bei bereits kleinen üblicherweise
bei rotatorischen Anwendungen auftretenden Kräften, erfolgt. Dies bewirkt
nämlich
ein Ansteigen der Gegenkraft in der Dehnschicht um mehrere Größenordnungen.
Vorteilhaft dabei ist, dass auftretende externe Kräfte, also
insbesondere von dem Aufspannmittel und/oder von dem Umfangteil
ausgeübte
Kräfte,
effektiv und frühzeitig
begrenzt werden, so dass eine besonders hohe Rundlaufgenauigkeit
erreicht wird.
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Bei
einer weiteren Weiterbildung der Erfindung wird ein insgesamt besonders
vorteilhaftes dynamisches Verhalten dadurch unterstützt, dass
eine Bewegung, auch bei einer drehenden Spannwelle der genannten
Art, praktisch nur in der elastischen Beschichtung des Aufspannmittels
stattfindet. Möglicherweise
zur Ausbildung eines Aufspannmittels verwendete auf Fluidbasis arbeitende
Druckelemente, sowie dadurch aktuierte Spannpratzen oder Segmente
sind in ihrer Bewegung durch das Anschlagmittel am Spannkern umfänglich über die
Hülse fixiert.
Das Aufspannmittel selbst ist in seiner Lage zur Spannwellenachse
durch das Anschlagmittel absolut fixiert. Durch die Beschaffenheit
und Bauteilkonstruktion als eine Einheit ist eine Relativbewegung
zwischen Aufspannmittel oder Spannpratze und/oder Walzenkern praktisch
ausgeschlossen. Über
die dünn
ausgearbeiteten Dehnbereiche ist eine Relativbewegung aufgrund der
finiten Spannungsverteilung im Material nur in radialer Richtung
möglich.
Eine solche Bewegung findet im Wesentlichen nur beim Auf- und Abspannen
des Umfangteils, z. B. einer Hülse,
statt.
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Über die
zwischen den Spannpratzen und der Hülse befindlichen Hohlräume kann
mit Peripherbohrungen ein starker Unterdruck bzw. ein hoher Überdruck
erzeugt werden. Ein solcher Unterdruck kann beispielsweise zum Spannen
von Hülsen
oder bei perforierten Hülsen
zum Ansaugen bzw. Wegblasen von Substraten genutzt werden. Der Überdruck
kann ebenso, je nach Einstellung, ein Gleitpolster auf der Hülsenfläche erzeugen.
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Im
Folgenden werden Ausführungsformen
der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik beschrieben.
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Ausführungsbeispiele
und Ausführungsformen
der Erfindung werden anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll
die Ausführungsformen
nicht notwendig maßstäblich darstellen;
vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter
und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Einzelnen zeigen die
Figuren der Zeichnung in:
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1:
einen Querschnitt einer Spannwelle gemäß dem Stand der Technik mit
einer darauf befindlichen Hülse
ohne die Beanspruchung durch eine externe Kraft;
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2:
einen Querschnitt einer Spannwelle gemäß dem Stand der Technik mit
darauf befindlicher Hülse
unter Beanspruchung einer, beispielsweise durch einen Presseur hervorgerufenen,
externen Kraft;
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3:
einen Querschnitt einer Spannwelle gemäß der Neuentwicklung mit einem
Anschlagmittel zur Vermeidung der Exzentrizität bei äußerer Beanspruchung, beispielsweise
hervorgerufen durch einen Presseur;
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4:
einen Längsschnitt
einer Spannwelle mit einer Hülse
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform;
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5:
einen Längsschnitt
einer Spannwelle gemäß der Neuentwicklung
mit darauf befindlicher Hülse unter
Beanspruchung einer, beispielsweise durch einen Presseur hervorgerufenen,
externen Kraft;
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6:
einen Querschnitt einer Spannwelle gemäß der Neuentwicklung mit darauf
befindlicher Hülse unter
Beanspruchung einer, beispielsweise durch einen Presseur hervorgerufenen,
externen Kraft;
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7:
ein Detail X eines Längsschnitts
der Spannwelle, jedoch ohne die Hülse, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
der 4, mit einer bevorzugten Ausführungsform einer Dichtung im
Randbereich zwischen Spannwelle und Hülse;
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8:
ein Detail Y eines Längsschnitts
der Spannwelle gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der 4,
mit einer bevorzugten Ausführungsform
lokal unterschiedlich ausgeführter
Dehnbereiche, und
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9:
einen Querschnitt einer Spannwelle gemäß der Neuentwicklung in einer
alternativen Ausführungsform,
mit als Druckkammern ausgeführten
Spannpratzen, beispielsweise zur Einflussnahme auf ungleichmäßig auftretende
Linienlasten während
des Betriebs.
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Zur
Erläuterung
der Wirkungsweise und der Vorteile der Erfindung wird diese anhand
einer Ausführungsform
im Vergleich zum Stand der Technik für unterschiedliche Situationen
dargestellt. Dazu wird eine Spannwelle mit einer darauf befindlichen
Hülse und
ihr Verhalten ohne und unter Beanspruchung einer externen, beispielsweise
durch einen Presseur hervorgerufenen, Kraft beschrieben. Bei der
Betrachtung wird der Einfachheit halber nur eine Belastungsebene
betrachtet, was aber das wesentliche Wirkungsprinzip der Erfindung
klar macht. Das Prinzip lässt
sich auf eine Vielzahl von Belastungsebenen übertragen.
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Zunächst wird
der Fall einer Spannwelle mit aufgespannter Hülse gemäß dem Stand der Technik ohne die
Einwirkung von externen Kräften
beschrieben.
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Dazu
ist in 1 eine entsprechende Spannwelle 1 gemäß dem Stand
der Technik mit einer darauf befindlichen Hülse 2 sowie auftretende
Kräfte
F1 und F2 dargestellt. Über
hydraulisch oder pneumatisch expandierbare Kammern 3a, 3b und 4a, 4b wird
der Reibschluss zwischen Spannwelle 1 und Hülse 2 hergestellt. Die
Kräfte
F1 und F2, die dabei von den expandierbaren Kammern 3a und 3b übertragen
werden, sind bei beiden Kammern gleich groß und entgegengesetzt.
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Entsprechendes
gilt in der vertikalen Ebene der Kammern
4a und
4b.
Das Kräftepaar
F1 und F2 in der horizontalen Ebene wird wie folgt veranschaulicht:
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Die
Kammern drücken
also auf die Hülse 2,
und die Kräfte
F1 und F2 in der betrachteten horizontalen Ebene sind dabei gleich
groß.
Die Lage der Hülse
in Bezug auf die Mittelachse M1 der Spannwelle 1 ist deswegen
indifferent. Es stellt sich ein mittleres Spaltmaß X1 ein. Über die
Kammern 3a und 3b wirkt immer die gleiche Kraft,
nahezu unabhängig
davon, welche Ausdehnung die Kammern 3a und 3b haben.
Entsprechendes gilt für
die Kammern 4a und 4b.
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Bei
Einwirkung von externen Kräften,
wie dies in der Regel bei Systemen aus Spannwelle und Hülse der
Fall ist, führt
die indifferente Lage der Hülse
in Bezug auf die Mittelachse M1 zu einer ungünstigen Situation.
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In 2 ist
schematisch die Belastung des Systems mit einer extern wirkenden
Kraft F5, die auf das System aus Spannwelle 5 und Hülse 6 wirkt,
dargestellt. Diese Kraft kann beispielsweise von einem Presseur P
aufgeprägt
werden. Da die Kräfte
F3 und F4 der pneumatischen Kammern 7a und 7b gleich
groß sind
und entgegengesetzt wirken, bewirkt die externe Kraft F5 eine Bewegung
der Hülse 6 in
die Richtung der Kraft F5. Eine analoge Wirkung würde sich
in der vertikalen Ebene der Kammern 8a und 8b einstellen.
Bei diesem Beispiel werden die Kammern 8a und 8b verformt.
Die genannte Bewegung kommt erst dann zum Stillstand, wenn die Hülse 6 die
Spannwelle 5 im Bereich der Kammer 7b berührt. Die
Hülse 6 bewegt
sich also bei einer rotativen Bewegung und unter Einwirkung einer
externen Kraft F5 ständig
in Richtung der Kraft F5 zur Spannwelle 5 hin, so dass
die Hülse 6 so
gut wie nie zentrisch zur Mittelachse M1 und zur Spannwelle 5 positioniert
ist. Das Ausmaß der
Bewegung ist dabei abhängig
vom ohne Belastung bestehenden mittleren Spaltmaß X1, wie in 1 dargestellt.
In 2 ist ersichtlich, dass unter Belastung der externen
Kraft F5 das Spaltmaß X2
auf der Seite der Kraft F5 kleiner als X1 ist und das Spaltmaß X3 auf
der entgegengesetzten Seite der Kraft F5 größer als X1 ist.
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Die
aufgespannte Hülse 6 wird
also unter Einwirkung einer externen Kraft F5 mittels m·a beschleunigt, wobei
m die Masse der Hülse
und a die Beschleunigung ist. Dies führt insbesondere zu einer Unwucht
beim System aus Spannwelle und Hülse.
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Bei
einer noch so geringen externen Kraft F5 geht die Hülse 6 also
in einen dynamischen Zustand über.
Die Beschleunigung der Hülse
mittels m·a
endet erst, wenn sie mit dem Kern der Spannwelle 5 in Berührung kommt.
Die Kräfte
F4 und F3 sind gleich groß und
entgegengerichtet und vermögen
nicht, die Hülse 6 auf der
Spannwelle 5 gemäß dem Stand
der Technik zu zentrieren.
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In 3 bzw.
in 4 ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung schematisch
dargestellt. In der 4 ist ein Axialschnitt durch
eine Spannwelle 9 gezeigt, wie sie als Querschnitt in 3 gezeigt
ist, wobei zwischen Spannwelle 9 und Hülse 10 ein Spalt 11 vorliegt.
Das in 3 gezeigte Anschlagmittel 17c lässt sich
longitudinal entlang der Spannwelle 9 mehrfach anordnen,
um so eine Reihe von in 4 dargestellten Anschlagmitteln 17a, 17b, 17c zu
bilden.
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Dabei
verfügt
die Spannwelle 9 über
mehrere hier als Segmente ausgeführte
Spannpratzen 12a, 12b, 12c. Diese Spannpratzen
können über fluidgetriebene,
insbesondere hydraulische Kammern 14a, 14b, 14c, radial
vom Kern der Spannwelle 9 weg bewegt werden, wobei das
Fluid über
die Anschlussstelle 16 durch eine zentrale axiale Bohrung 15a und
durch zu den Kammern führende
radiale Bohrungen 15b eingeleitet wird. Die radiale Bewegung
der Spannpratzen ist dabei über
die Hülse 10 mit
dem Anschlagmittel 17a, 17b, 17c begrenzt.
Spannpratzen und Anschlagmittel sind über funktionsbestimmend ausgeführte Dehnbereiche 13a, 13b, 13c miteinander
fest verbunden. Die Anzahl von Kammern und Segmenten lässt sich
nach Bedarf jeweils einzeln oder zusammen variieren. Bei einer Ausführungsform
sind jeweils drei Kammern und zwölf
Segmente vorteilhaft.
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Auf
den Segmenten der beispielsweise ausgeführten Spannwelle 9 befindet
sich eine Dehnschicht, also eine elastische Beschichtung 18.
Im montierten Zustand der Spannwelle 9 mit Hülse 10 und
expandierten Kammern 14a, 14b wird die elastische
Beschichtung 18 auf den Segmenten 12a, 12b, 12c komprimiert.
Die somit elastische Oberfläche 18 der
Segmente 12a, 12b, 12c sorgt zudem vorteilhaft
dafür,
dass Fertigungstoleranzen wie Rundheit und Geradheit insbesondere
bei den Teilen Spannwelle 9 und Hülse 10 ausgeglichen werden
können.
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Vor
allem aber ist aufgrund der Eingrenzung der radialen Bewegung der
Segmente 12a, 12b, 12c die Lage derselben
in Bezug auf die Mittelachse M2 definiert. Dies führt zu einer
definierten Lage der Hülse 10 in Bezug
auf die Mittelachse M2 und in Bezug auf die Spannwelle 9.
Ein Spaltmaß tritt
vorteilhaft praktisch nicht auf.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform
der Spannwelle 9 stellt sich eine Situation ohne externe
Kräfte
anders dar als beim Stand der Technik und lässt sich wie folgt veranschaulichen.
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Die
hydraulischen Kammern 14a, 14b, 14c, 14d drücken auf
die Segmente 12a, 12b, 12c und so dass diese
in eine über
die Anschlagmittel 17a, 17b, 17c und
die Hülse 10 eindeutig
definierte Position verfahren. Der Reibschluss ist nicht direkt,
sondern unter Einwirkung der Kammern über die Segmente und die elastische Beschichtung 18 zu
der Hülse 10 hergestellt.
Ein Teil der Kräfte
F7 und F8, die unter Einwirkung und von den hydraulischen Kammern
zur Verfügung
gestellt werden, geht also in die Komprimierung F9 und F12 der elastischen
Beschichtung der Segmente auf und ein weiterer Teil F10 und F11
verteilt sich über
die Hülse 10 auf die
Anschlagmittel der gegenüberliegenden
Seite auf den Kern der Spannwelle 9. Die Anschlagmittel
mit Hülse bilden
eine Fixierung der Höhe
für die
Segmente. F9 und F12 sind also in der Beschichtung eingefroren.
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Bei
keinen oder kleinen externen Kräften
ist die komprimierte elastische Beschichtung 18 immer bestrebt,
in jedem finiten Teil des Umfangs der Spannwelle 9 die
gleiche Spannung zu haben. Die führt
dazu, dass die Spannungen und Kräfte
ausgeglichen sind. Somit ist auch die Ruhelage der Hülse 10 in
Bezug auf die Mittellage M2 der Spannwelle 9 klar definiert.
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Bei
der beschriebenen Ausführungsform
stellt sich bei einer extern wirkenden Kraft, wie in
3 angedeutet,
eine besonders günstige
Situation ein, die im Zusammenhang mit
5 verdeutlicht
wird. Die dabei wirkenden Kräfte
lassen sich wie folgt darstellen:
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Im
Falle, dass die extern wirkende Kraft F6 größer ist als die im Ruhezustand
eingefrorene Kraft F9 und F12 in der elastischen Beschichtung, wie
in 4 dargestellt, führt dies auf der von der externen
Kraft F6 abgewandten Seite der Hülse 10 zu
dem folgenden Sachverhalt: Die gesamte resultierende Kraft F13 der
hydraulischen Kammern wird in die Anschläge der gegenüberliegenden,
hier rechten, Seite, wie in dem obigen Diagramm eingeleitet. Die
Gegenkraft F14 wird von den genannten Anschlagelementen der entsprechenden Seite
auf die Hülse
bereitgestellt. Auf die Hülse
wirkt keine Kraft über
die elastische Beschichtung in Richtung der externen Kraft F6, da
sich die Kräfte
F13 und F14 aufheben.
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Auf
der der externen Kraft zugewandten Seite wie in dem obigen Diagramm
die rechte Seite, erhöht sich
die im unbelasteten Zustand bestehende Kraft F12 auf F17. Diese
wird über
die elastische Beschichtung, hervorgerufen durch die resultierende
Kraft F15 der hydraulischen Kammern entgegen der externen Kraft
F6, auf die Hülse übertragen.
Die Anschlagmittel nehmen auf dieser Seite entsprechend weniger
Kraft F16 auf. F16 ist also kleiner als die Kraft F14, welche die
Anschlagmittel auf der gegenüberliegenden
Seite aufnehmen.
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Auch
im Belastungsfall wird der Unterschied zum Stand der Technik deutlich.
Die zunächst
bestehende Kraft F12 der elastischen Beschichtung, die in die gleiche
Richtung der externen Kraft F6 auf die Hülse wirkt, wird mit Zunahme
der externen Kraft F6 immer geringer, bis sie schließlich den
Wert Null erreicht.
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Die
Hydraulikkammern, die in die gleiche Richtung der externen Kraft
wirken, würden
im Stand der Technik aber immer mit der gleichen Kraft drücken, die
in ihrer Summe immer den Wert Null bildet. Im Stand der Technik
wirken diese somit nicht einer Bewegung in Richtung der externen
Kraft entgegen. Im Stand der Technik dienen die dort vorgesehenen
hydraulischen Spannelemente nicht zur Zentrierung einer Hülse auf
einer Welle, sondern sie sorgen lediglich für die Übertragung von Umfangskräften, radialen
und axialen Kräften, die
auf die Hülse
wirken.
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Bei
der vorgeschlagenen Spannwelle 9 bzw. dem System aus Spannwelle 9 und
Hülse 10 nimmt
die Kraft, welche die Hülse 10 der
externen Kraft entgegenbringt zu, und die Kraft, welche die Hülse 10 in
Richtung der externen Kraft drückt,
nimmt ab. Bei dieser Ausführungsform
wird also einer Bewegung der Hülse 10 in Richtung
der externen Kraft entgegengewirkt.
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In
dieser Ausführungsform
ist eine Bewegung der Hülse 10 im
Verhältnis
zur Mittelachse M2 der Spannwelle 9 nur innerhalb einer
drastisch reduzierten Bandbreite der Bewegung erlaubt.
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Im
Stand der Technik wirkt im Belastungsfall also nur jene Kraft der
externen Kraft entgegen, welche aus der Masse der Hülse und
ihrer Beschleunigung zur Spannwelle hin resultiert. In der Erfindung
wirkt der externen Kraft auch eine progressiv ansteigende Kraft
entgegen, die auf der Masse und der Beschleunigung der Hülse beruht.
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In 6 ist
eine Spannwelle 9 mit darauf befindlicher Hülse 10 gezeigt,
die mit einer von einem Presseur P erzeugten Kraft F6 belastet wird,
was also im wesentlichen die bereits im Zusammenhang mit 3 geschilderte
Situation wiedergibt. In 6 ist deutlicher dargestellt,
dass durch die Wirkung der Anschlagmittel 17c die Spaltmaße X2 und
X3 praktisch übereinstimmen.
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Diese
Ausführungsform
erlaubt zudem vorteilhaft eine Vielzahl von unterschiedlichen Einstellmöglichkeiten
der Welle im Hinblick auf ihr dynamisches Verhalten. So kann zum
Beispiel die eingefrorene Spannung, die im Ruhezustand in der elastischen
Schicht gespeichert ist, eingestellt werden. Die Einstellung kann
vorteilhaft über
einen Kompressibilitäts-
bzw. E-Modul oder über Vertiefungen
der elastischen Beschichtung 18 geschehen. Dabei ist ein Übergang
vom E-Modulbereich in den K-Modulbereich bereits bei kleinen üblichen
Kräften
besonders vorteilhaft. Die Einstellung kann auch über die
Komprimierung, d. h. das Abmaß des
Innendurchmessers der Hülse
zu dem Außenmaß des expandierten
Kerns ohne Hülse
erfolgen. Ebenso kann die Kraft, die im Ruhezustand zwischen den
Anschlagmitteln 17a, 17b, 17c und der
elastischen Schicht 18 aufgeteilt wird, also beispielsweise
das Verhältnis
von F12 zu F11, eingestellt werden.
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Weitere
Einstellmöglichkeiten
ergeben sich über
die Anzahl der Anschlagmittel und die Ausführung und die Ausbildung der
Segmente und der Kammern.
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Für den Einsatz
einer Spannwelle mit einer Hülse
im Druckbereich ist es erforderlich, zwischen Spannwelle und Hülse gegen
Farben und Schmutz abzudichten. Eine bevorzugte Ausführungsform
einer Dichtung sieht vor, mit dem Druckmedium ebenfalls eine radial
bewegliche Dichtung zu betätigen,
um sie so gegen die Bohrungswand der Hülse zu pressen.
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Dabei
wird die Dehnschicht vor Verklebungen und Verschmutzungen geschützt. Dies
wird im Zusammenhang mit 7 veranschaulicht, die ein Detail
X eines Längsschnitts
der Spannwelle gemäß der Ausführungsform
nach 4 zeigt. Über
die Bohrungen 14f, 14h gelangt das Druckmedium
aus der zentralen axialen Bohrung 15a der Spannwelle 9 in
einen Hohlraum 21 unter einer Außenschale 19 bestehend
aus einem elastisch verformbaren Material der Außenhülle. Dieses Material kann aus
Metall oder Kunststoff oder aus einer Kombination aus beiden Materialien
bestehen. Durch eine Verdrängung
in dem Hohlraum wird ein Dichtkörper 20 aus
einem elastischeren Material als das der Außenschale 19, vorzugsweise
Gummi, mit der Außenseite vollflächig gegen
die Bohrungswand gedrückt.
Es ist so ausgeführt,
dass entsprechend zu den von den Dehnmitteln ausgeführten Relativbewegungen,
größere Bewegun gen
durchgeführt
werden, um eine elastische Oberfläche der Dichtung 20 an
die Bohrungswand der Hülse
anzudrücken.
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8 zeigt
ein Detail Y eines Längsschnitts
der Spannwelle 9 aus 4. Durch
die lokale Gestaltung der Dehnbereiche 13e und 13f zwischen
den Anschlagmitteln 17d, 17e, 17f mit
beispielsweise einer reduzierten Wandstärke b2 des Dehnbereichs 13e gegenüber der
Wandstärke
b1 des Dehnbereichs 13f ergeben sich durch den Krafteinfluss über die
Druckbeaufschlagung durch die Spannpratzen 12e, 12f unterschiedliche
starke Verformungen der Beschichtung 18 in den jeweiligen
Bereichen S2 und S1. Hier gilt beispielsweise: b2 < b1 → S2 > S1
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Die
Tatsache, dass bei der Spannwelle einer Rotationsdruckmaschine zum
Aufspannen einer zunächst
beweglichen Hülse
mit einem fluidgetriebenen Aufspannmittel zur bei Bedarf spannenden
Befestigung der Hülse
und einem Anschlagmittel das Anschlagmittel fest mit dem Körper der
Spannwelle verbunden ist, führt
zur Begrenzung der von einem Aufspannmittel ausgeübten Kräfte F7, F8, F13 F15 und/oder von der Hülse ausgeübten Kräfte F10,
F11, F14, F16.
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Das
Spannsystem besteht aus einem starren Kern mit einer aufgestülpten Außenwand,
die in erforderlichen Bereichen als Dehnelemente dünnwandig
ausgearbeitet ist. Der Innenkern ist mit der Außenwand gas- und flüssigkeitsdicht
zusammengesetzt. Zwischen Kern und Außenwand sind in erforderlichen
Bereichen Hohlräume
im Kern eingearbeitet, die mit einem hydraulischen Medium, einer
Paste oder einer Flüssigkeit,
befüllt
sind. Die Hohlräume
sind durch radiale Bohrungen 15b und axiale Bohrungen 15c miteinander
verbunden. Diese Bohrungen verbinden die Hohlräume zwischen Außenwand
und Kern mit einer Druckeinrichtung. Die Druckeinrichtung kann als
Baugruppe im Spannsystem integriert sein, oder auch über eine
Leitungskupplung am Spannsystem an- oder entkoppelt werden.
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Der
Innenkern ist so gestaltet, dass er in Bereichen eine stützende Funktion
gegenüber
der Außenwand
hat. Die Außenwand
besteht aus starren, steifen Spannpratzen und weicheren, elastischen
Dehnbereichen.
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Zur
Anpassung der Spannwelle an unterschiedliche Einsatzzwecke, kann,
wie in 9 gezeigt, die Spannwelle zwischen den Spannpratzen 12 auch über partiell
ansteuerbare Druckkammern 22a, 22b, 22c mit Druck
beaufschlagt werden. Hierzu müssen
die Druckpolster jedoch durch Dichtungen 23a, 23b, 23c von
einander isoliert werden. Wirkt eine äußere Kraft F6 auf die Hülse 10,
so wirkt der Druck P dieser Kraft im Gleichgewicht entgegen. Ein
Druckunterschied in den einzelnen Kammern kann ebenso über Druckminderer,
die sich in der Spannwelle befinden, voreingestellt werden. Sind
die Druckkammern über
die Walzenbreite ebenfalls gekämmert
und hintereinander zusätzliche
Druckkammern angeordnet, die mit Bohrungen miteinander verbunden
sind oder mit Druckminderern eingestellt sind, führt dieses beispielsweise beim
Prägen
in einem Kalandrierprozess zu besonders günstigen Linienlastverteilung
und dadurch zur deutlichen Reduzierung der durch Walzendurchbiegung
hervorgerufenen unterschiedlichen Prägequalität.
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Die
Erfindung kann ebenso als Spannmittel für Lager und als Spannhülse eingesetzt
werden. Im letzteren Fall, befinden sich die Spannelemente in der
Hülse und
nicht in der Welle.
