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Die
Erfindung betrifft ein Rad, insbesondere ein Laufrad eines Verdichters
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Derartige
Räder sind
in verschiedener Form im Einsatz.
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Sind
diese Räder
aus Metall gefertigt, so sind sie üblicherweise spanend auf die
gewünschte End-Geometrie
bearbeitet. Diese Räder
sind mechanisch hoch belastbar, die Herstellung ist aber verhältnismäßig teuer.
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Es
sind ferner Kunststoffräder
bekannt, die durch Spritzen oder Gießen in einer Form preisgünstig hergestellt
werden können.
Bei denjenigen Kunststoffen, bei denen eine mechanische Endbearbeitung
entfallen kann, ist jedoch die Kraftübertragung innerhalb des Nabenabschnittes
und vom Nabenabschnitt auf den Rest des Rades problematisch. Derartige
Kunststoffräder
eignen sich daher nur für
weniger kritische Anwendungen.
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An
sich ist es auch bekannt, in Kunststoffgegenstände Inserts miteinzuspritzen,
z. B. Gewindeinserts an Befestigungsstellen und Naben-Inserts bei Rädern. Auch
derartige Verbundteile stellen bisher aber im Hinblick auf die Drehmomentübertragung
in anspruchsvolleren Anwendungen nicht zufrieden.
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Durch
die vorliegende Erfindung soll daher ein Rad gemäß dem Oberbegriff des Anspruches
1 dahingehend weitergebildet werden, dass auch die Übertragung
hoher Drehmomente im Langzeitbetrieb sicher erfolgt.
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Diese
Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch
ein Rad mit dem im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Rad
erfolgt die Kraft- bzw. Drehmomentübertragung zwischen dem Nabenabschnit
und dem Zwischenabschnitt sowie dem von diesem getragenen Umfangsabschnitt
des Rades über
eine Mehrzahl von Verankerungsflügeln, die
in das Material des Verbindungsabschnittes eingebettet sind. Diese
Flügel
haben ausgedehnte Begrenzungsflächen, über welche
sie mit dem Material des Verbindungsabschnittes in Verbindung stehen. Die
beim Beschleunigen auftretenden Kräfte stehen im Wesentlichen
senkrecht auf den Begrenzungsflächen
der Verankerungsflügel,
so dass im Material des Verbindungsabschnittes überwiegend Druck- und Zugbelastungen,
dagegen wenig Scherbelastungen auftreten. Insbesondere ist so die
Berührfläche zwischen
den Verankerungsflügeln
und dem Material des Verbindungsabschnittes gegen zur Flügelebene parallele
Kräfte
geschützt,
so dass das Material des Verbindungsabschnittes gut auf den Außenflächen der
Verankerungsflügel
haften bleibt.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.
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Bei
einem Rad gemäß Anspruch
2 hat man an den unterschiedlichen axialen Stellen der Verankerungsflügel gleiche
Kraft- und Drehmomentübertragungsverhältnisse,
da der Querschnitt der Verankerungsflügel in senkrecht auf der Radachse
stehenden Ebenen immer dergleiche ist.
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Mit
der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 wird auch eine
sehr gute radiale Verankerung des Verbindungsabschnittes am Nabenabschnitt
erhalten.
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Ein
Rad, wie es im Anspruch 4 angegeben ist, zeichnet sich durch gleiche
Laufeigenschaften in Vorwärts-
und Rückwärtsrichtung
aus.
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Dabei
ist die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 im Hinblick auf
besonders gute radiale Verankerung des Verbindungsabschnittes am Nabenabschnitt
von Vorteil.
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Bei
einem Rad gemäß Anspruch
6 ist der Verbindungsabschnitt besonders gut, nämlich durch Formschluss in
axialer Richtung auf dem Nabenteil verankert.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
7 ist dabei wieder im Hinblick auf gleiche Kraft- und Drehmomentübertragungsverhältnisse
zu beiden Seiten einer Quermittelebene des Rades von Vorteil.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
8 ist im Hinblick auf ein bleibend gutes Haften des Einbettungsmateriales
des Verbindungsabschnittes des Rades an den Außenflächen der Verankerungsflügel von
Vorteil.
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Unter
dem Gesichtspunkt guter Materialkompatibilität hat sich dabei die Weiterbildung
der Erfindung gemäß Anspruch
9 besonders bewährt.
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Mit
der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10 wird erreicht,
dass auf das Rad hohe Drehmomente sicher übertragen werden können.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
11 ist im Hinblick auf einfache Herstellung des Nabenteiles von
Vorteil. Bei dem angegebenen Herstellungsverfahren lassen sich auch
sehr einfach radial hinterschnittene Verankerungsflügel realsieren, die
spanend nur sehr kompliziert zu erzeugen wären.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
12 ist im Hinblick auf besonders sichere Einbettung der Verankerungsabschnitte
in dem Verbindungsabschnitt von Vorteil.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
13 ist im Hinblick auf das Vermeiden weiterer innerer Grenzflächen des
Rades von Vorteil und auch im Hinblick auf einfache Herstellbarkeit
des Rades.
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Ein
Rad, wie es im Anspruch 15 angegeben ist, zeichnet sich durch besonders
geringe Masse und sparsamen Materialeinsatz aus.
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Dabei
ist die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 16 dann im Hinblick
auf in Umfangsrichtung symmetrische Verhältnisse der Kraft- und Drehmomentübertragung
von Vorteil.
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Nachstehend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
In dieser zeigen:
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1:
eine perspektivische Ansicht eines Verdichterlaufrades für eine dentale
Saugmaschine mit eingebettetem Nabenteil;
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2:
eine perspektivische Ansicht des Nabenteiles des Verdichterlaufrades
von 1 in vergrößertem Maßstabes;
und
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3:
eine axiale Ansicht auf einen Teil eines abgewandelten Nabenteiles
für ein
Verdichter-Laufrad.
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In 1 ist
ein Verdichterlaufrad für
eine dentale Saugmaschine insgesamt mit 20 bezeichnet.
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Es
besteht aus einem Kunststoffteil 22 und einem in dieses
eingebetteten Nabenteil 24, welches aus Metall gefertigt
ist.
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Das
Kunststoffteil 22 hat einen außenliegenden Schaufelkranz 26,
der von einem Scheibenabschnitt 28 getragen ist, der seinerseits
an die äußeren Enden
eines Kranzes von acht gleichförmigen
in Umfangsrichtung verteilten Speichen 30 angeformt ist.
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Die
Speichen 30 haben an ihren innenliegenden Enden jeweils
symmetrisch zu beiden Seiten vorstehende Fußabschnitte 32 größerer axialer
Abmessung.
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Der
Scheibenabschnitt 28, die Speichen 30 und die
Fußabschnitte 32 bilden
zusammen einen Verbindungsabschnitt 34 des Verdichterlaufrades 20.
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In
den Verbindungsabschnitt 34 ist das Nabenteil 24 eingebettet.
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Das
Nabenteil 24 hat einen inneren Hülsenabschnitt 36,
der auf seiner Innenseite mit einer axialen Nut 38 versehen
ist, die zusammen mit einer passenden Feder einer Antriebswelle
eine drehschlüssige
Verbindung zwischen dem Verdichterlaufrad 20 und einer
dieses tragenden Welle herstellen kann.
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Auf
den Hülsenabschnitt 36 sind
außen gleichförmig in
Umfangsrichtung verteilt acht Verankerungsflügel 40 angeformt.
Jeder der Verankerungsflügel 40 hat
zwei radial verlaufende Begrenzungsflächen 42, 44.
Von den Begrenzungsflächen 42, 44 stehen
etwa bei der Mitte kurze Verankerungsrippen 46 symmetrisch
nach beiden Seiten vor, während
beim äußeren Ende
der Verankerungsflügel 40 größere Abmessung
aufweisende Verankerungsrippen 48 nach beiden Seiten symmetrisch überstehen.
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In
der axialen Mitte der Verankerungsrippen 40 ist jeweils
eine Nut 50 vorgesehen, die beim dargestellten Ausführungsbeispiel
bis zu den kurzen Verankerungsrippen 46 reicht.
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Die
Nuten 50 werden beim Anspritzen bzw. Anpressen von Kunststoffmaterial
an das Nabenteil 24 mit Kunststoffmaterial gefüllt, so
dass man eine axial wirksame Formschlussverbindung zwischen dem
Nabtenteil 24 und dem Kunststoff teil 22 erhält.
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Die
Abmessungen der Fußabschnitte 32 der Speichen 30 und
die Abmessungen des Nabenteiles 24 mit seinem Hülsenabschnitt 36 und
seinen Verankerungsflügeln 40 sind
so getroffen, dass das Nabenteil 24 mit Ausnahme seiner
bündig
eingebetteten Stirnflächen
allseitig vom Material des Kunststoffteiles 22 umgeben
ist.
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In
der Praxis wird das Kunststoffteil 22 in einer Spritz- oder Pressform hergestellt,
wobei in den leere Form das Nabenteil 24 eingelegt wird
und das Kunststoffmaterial dann zur Herstellung des Verdichterlaufrades 20 um
das Nabenteil 24 herumfließt.
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Man
erkennt, dass auf diese Weise eine sichere Drehmomentübertragung
zwischen dem Hülsenabschnitt 36 und
dem Kunststoffteil 22 gegeben ist. Bei Änderungen der Winkelgeschwindigkeit
der Antriebswelle werden die entsprechenden Kräfte und Drehmomente über die
großen
Begrenzungsflächen 42, 44 der
Verankerungsflügel 40 sicher
auf den Zwischen abschnitt 28 und über dieses auf den Schaufelkranz 26 übertragen.
Auch bei häufigen
Lastwechseln und langer Betriebszeit kommt es nicht zu Brüchen im
Kunststoffmaterial.
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Vorzugsweise
ist das Material, aus welchem das Nabenteil 24 hergestellt
ist, so ausgewählt,
dass es etwa gleiche Härte
wie das Material des Kunststoffteiles 22 und etwa gleichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten wie dieses aufweist.
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Das
Nabenteil 24 lässt
sich wie folgt herstellen:
Es wird durch Strangpressen ein
Profilmaterial erzeugt, dessen Querschnitt dem gewünschten
Querschnitt des Nabenteiles 24 entspricht. Von diesem Profilmaterial
werden Stücke
abgestochen, deren Länge
der gewünschten
axialen Abmessung des Nabenteiles 24 entspricht.
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In
die Innenfläche
des Hülsenabschnittes 36 wird
die axiale Nut 38 eingefräst und in die Mitten der Verankerungsflügel 40 werden
die Nuten 50 eingefräst.
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Falls
erforderlich, kann die Innenfläche
des Hülsenabschnittes 36 noch
eine mechanische Feinbearbeitung erfahren, um eine gute Passung
zwischen der Außenfläche der
Antriebswelle und der Innenfläche
des Hülsenabschnittes 36 zu
erzielen.
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Weitere
mechanische Bearbeitungen sind zur Herstellung eines Verdichterlaufrades
nicht notwendig. Das Kunststoffteil 22 mit dem auf ihm
ausgebildeten Schaufelkranz 26 kann schon beim Herstellen
in der Spritz- bzw. Pressform die notwendige Genauigkeit und die
notwendige Oberflächenqualität erhalten,
die zum Betreiben als Verdichter laufrad notwendig ist.
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Das
oben beschriebene Verdichterlaufrad lässt sich somit sehr preisgünstig herstellen.
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Es
versteht sich, dass man in Abwandlung des oben beschriebenen Ausführungsbeispieles auch
eine andere Anzahl von Speichen und Verankerungsflügeln wählen kann,
wobei diese dann aber nach wie vor gleich verteilt in Umfangsrichtung
vorgesehen werden.
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Auch
kann man die Geometrien der Verankerungsflügel 40 abwandeln,
indem man die Anzahl und die Geometrie der Verankerungsrippen 46, 48 ändert. So
können
zum Beispiel die Verankerungsrippen 46, 48 unter
einem von 90° verschiedenen
Winkel gegen die Begrenzungsflächen 42, 44 angeordnet
sein, so dass man eine Tannenbaumähnliche Geometrie erhält.
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Vorzugsweise
kann man auch die Verankerungsrippen 46, 48 stärker verrunden,
insbesondere diesen Rippen jeweils die Form eines Halbkreises geben,
so dass zwei gegenüberliegende
Rippen zusammen einen Zylinder bilden. Entsprechend sind die Übergänge zwischen
den innenliegenden Enden der Verankerungsflügel 40 und der Außenfläche des Hülsenabschnittes 36 stärker verrundet.
Ein entsprechendes Profil für
ein Nabenteil 24 ist in 3 wiedergegeben.
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Das
Strangprofil für
das Nabenteil 24 ist aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung,
einem Buntmetall oder einer Buntmetalllegierung hergestellt.
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Der
Wärmeausdehnungskoeffizient
des Materiales des Nabenabschnittes entspricht im Wesentlichen dem
des Verbindungsabschnittes 34, ggf. mit einer Fehlanpassung
von bis etwa 10%.
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Genauer
gesagt kann das Material des Nabenabschnittes 24 in Verbindung
mit einem Duroplasten als Material für den Verbindungsabschnitt 34 einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
von 20 × 10–6/K
bis 20 × 10–6/K,
vorzugsweise von 24 × 10–6/K bis
26 × 10–6/K
aufweisen.
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Für viele
Fälle wird
die Genauigkeit der beim Strangpressen erhaltenen Formen von Wellenaufnahmeöffnung und
Antriebsnut ausreichen. Wo es auf eine besonders gute Passung zwischen
Welle und Laufrad ankommt, kann das abgelängte Strangprofil im Bereich
der Wellenaufnahmeöffnung
und vorzugsweise auch im Bereich der Antriebsnut 38 mechanisch
nachbearbeitet sein.
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Als
Material für
belastungsfähige
und gut maßhaltige
Kunststoff-Laufräder
eignen sich besonders Duroplaste, insbesondere solche mit Faserverstärkung. Diese
sind aber auch spröde
und kerbempfindlich. Auch haben sie einen ca. 50% geringeren E-Modul
und etwa halbe Zugfestigkeit wie andere Kunststoffe (z. B. Grivory
HTV5 mit 50% Glasfaser).
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Eine übliche zylindrische
Radnabe aus Metall würde
bei wechselnder Last bei Start/Stop-Betrieb zu Nabenrissen bei einem
Duroplastrad führen. Würde man
bei einem Duroplastrad einfach eine zylindrische metallische Nabe
verwenden so würden auch
unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten
(z. B.: Stahl (12 × 10–6/K) zu
Duroplast (20–23 × 10–6/K) zur
Folge haben dass bei Kalt/Warm-Wechselbelastungen, die z. B. in
einer Zahnarztpraxis täglich
vorkommen, langfristig ein Lösen
der Verbindung eintritt und das Laufrad defekt wird.
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Durch
die oben beschriebene Erfindung wird diesbezüglich zweierlei erreicht: Der
Armstern des Nabenteiles verteilt zum Einen die Momentenkräfte ohne
Spannnungspitzen auf den Duroplastkunststoff. Es treten also gleichmäßige Flächenpressungen
anstatt tangentialer örtlicher
Spannungspitzen auf, was den Werkstoff weniger beansprucht und die
Versagensgefahr deutlich reduziert. Das Nabenteil wird zum Anderen
aus einem Metall gefertigt das im Wärmeausdehnungskoeffizienten
nahe bei dem des Duroplastmaterials liegt. Vorzugsweise wird eine Alu-Legierungen
mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 24 × 10–6/K)
verwendet. Damit ist die Gefahr der Lockerung wesentlich herabgesetzt.
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Der
Nabenstem kann aus einem extrusionsgsformten strangpressten Material
abgelängt werden,
wobei die Kontur der Passfedernut schon mit eingeformt wird und
nur noch die ISO-Passung
des Nabendurchmessers spanend erzeugt werden muss.
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Die
mehrfachen Arme des Nabenarms werden weit radial in die Speichen
des Kunststoff-Rades hinausgezogen. Dadurch wird nicht nur die Krafteinleitung
verbessert sondem auch noch der Auflagendurchmesser in der Form
vergrößert, so
dass sich beim Formpmzess des Kunststeils eine höhere Genauigkeit ergibt. Der
Planlauffehler kann dadurch herabsetzt werden.
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Die
mehrfachen Arme des Sterns sind mit einem oder mehreren Verzweigungen
verästelt,
um ein besseres Verzahnen mit dem Kunststoff zu erreichen. Diese
können
auch andere zweckmäßige Formen
haben z. B. Tannenbaumprofil oder Ähnliches.
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Der
stranggefertigte Rohling kann preisgünstig durch Sägen oder
Abstechen aus der Profilstange abgelängt werden. Der Nabenarm hat
eine Hinterschnittkontur um eine gute axiale Verzahnung mit dem
Kunststoff zu erreichen. Diese wird einfach durch Drehen oder Einstechen
realisiert.
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Die
Passfedernut kann fertig aus dem Strangpressprofil verwendet werden.
Die Wellenaufnahmeöffnung
des Nabenteiles kann für
untergeordnete Anwendungen auch ohne Nachbearbeitung des Strangprofiles
verwendet werden. Für
genauere Passungsanforderungen ist eine spanende Nachbearbeitung
in ISO-Toleranzen
(H7 oder genauer) erforderlich.