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Die
Erfindung betrifft Presse mit einem direkt angetriebenen Kurbeltrieb
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Fertigungsmaschinen
mit einem reversierenden Stößel weisen in der
Regel einen motorischen Antrieb und einen Kurbeltrieb auf, der die
Rotationsbewegung des Antriebes in eine lineare und reversierende
Bewegung umwandelt. Üblicherweise werden derartige Fertigungsanlagen
als Pressen zum Umformen oder Schneiden von Werkstücken
verwendet. Insbesondere die Automobilindustrie benötigte
Pressenstraßen, bestehend aus mehreren nacheinander angeordneten
Pressen und zugehörigem Transportsystem, um beispielsweise
aus einfachen angelieferten Coils (Flachbandrollen aus Metall) komplizierte Geometrien,
wie Kotflügel, Fahrzeugtüren, Katalysatorhüllen
und vieles mehr zu fertigen.
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Insbesondere
schnell laufende Pressenanlagen werden als mechanische Pressen wie
oben dargestellt ausgeführt.
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Im
Stand der Technik haben sich vielerlei unterschiedliche Terminologien
eingebürgert, so dass im Zuge dessen einige verwendete
Begriffe erklärt und deren bekanntesten Synonyme ohne Anspruch auf
Vollständigkeit dargelegt werden. Ein Kurbeltrieb, ist
gemäß der Erfindung ein Antrieb, der eine Rotationsbewegung
(von einem Motor) in eine Linearbewegung umformen kann und findet
in der Fachliteratur auch als Exzenterantrieb oder Schubkurbelantrieb oder
dergleichen seinen Niederschlag. Wie oben ausgeführt ist
die Hauptaufgabe des Kurbeltriebes die Umwandlung einer Rotationsbewegung
in eine Translationsbewegung, wobei eine Exzenter- oder wie im weiteren
Verlauf eine Kurbelwelle verwendet wird. Auf der Kurbelwelle findet
sich ein außerhalb der Rotationsachse der Kurbelwelle gelagerter
Exzenter- bzw. im weiteren Kurbelzapfen, an dem in der Regel ein
Schubgestänge, im weiteren Pleuelstange genannt, angeordnet
ist. Der Kraftfluss des Antriebs kann vom kleinsten Möglichen
Nenner des Kurbeltriebs, einer Kurbelwelle und einem Kurbelzapfen,
bis hin zu einem Stößel über mehrere
Stationen wie Schubkurbeln, Gelenktriebe, u. a. oder auch nur einer
Pleuelstange laufen. Weiter steht der Begriff Pressenrahmen für
das tragende Gestell der Presse. Im Sinne der Erfindung sind davon
alle Pressengestelle in ihren möglichen Ausführungsformen
umfasst, wie zum Beispiel gebaute Pressenrahmen aus mehreren Einzelteilen
(Querhaupt oben und unten, Seitenständer) wie auch Pressenrahmen
in Fensterrahmenkonstruktion.
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Direktantriebe
und Servopressen zeichnen sich dadurch aus, dass durch die Verwendung,
vorzugsweise von Gleichstrommotoren, über einen Pressenhub
(OT – UT – OT) verschiedene Geschwindigkeitsgradienten
einstellen lassen. Auch ein Pendelhubbetrieb ist möglich
ohne eine immerwährende Gefahr der Überlastung
von komplizierter Zahnradgetrieben, sofern diese vorhanden sind.
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Aus
DE 28 40 710 ist ein Antriebssystem
für eine Umformmaschine bekannt geworden, dass einen Direktantrieb
für ein Antriebssystem einer Presse zeigt. Dabei wird der
Wellenausgang des Direktantriebes noch über ein Getriebe übersetzt,
bevor die Antriebskraft über die Welle auf eine Kurbelscheibe und
schließlich auf einen Kurbelzapfen übertragen werden
kann. Aus
DE 102 60
127 A1 ist ebenfalls ein Direktantrieb bekannt geworden,
der außenseitig an einer Welle angeflanscht ist und seine
Antriebskraft ohne die Zuhilfenahme eines Übersetzungsgetriebes direkt
an die Kurbelwelle abgibt.
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Alle
diese Offenbarungen zeigen den gravierenden Nachteil, dass der Motor über
eine Kupplung oder durch direktes aufsetzen auf die Hauptantriebswelle
(Flansch, Spannsatz oder Vielkeilwelle) mit der Hauptantriebswelle
verbunden werden muss. Gerade bei großen Kräften
in Großpressen limitieren diese Welle-Naben-Verbindungen
die Möglichkeit eine Presse auch bei hohen Kräften
kleiner und insbesondere mit einem geringen Trägheitsmoment
auszulegen. Auch sind diese Verbindungen extrem anfällig für
Wechsellastbetrieb, beispielsweise bei einem Pendelhub, und für
Störfälle.
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Eine Überlastsicherung
für einen Störfall (klassischer Fall ist ein in
der Presse zu liegen kommendes Werkstück aus zwei Platinen)
muss so ausgelegt sein, dass die Welle-Naben-Verbindungen bei einem
Störfall nicht geschädigt werden. Das reduziert
aber wiederum die Dauerbelastbarkeit der Überlastsicherung,
die bei stark belasteten Pressen bei schlechter oder falscher Dimensionierung
auch im Normalbetrieb auslöst. Weiter ist von Nachteil,
dass der Motor außerhalb der tragenden Strukturen der Presse
respektive des Pressenkopfes angeordnet ist und entsprechende Probleme
beim Bauraum, beim Lärmschutz und bei der Steifigkeit des
Antriebssystems mit sich bringt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin eine Presse zu schaffen, die
die bisher bekannten Antriebsstränge in einer Presse im
Bereich der Steifigkeit, des Kraftflusses und Dauerbelastbarkeit
optimiert. Weiter soll eine Presse, insbesondere eine Großpresse
mit hoher Tonnage, geschaffen werden, die im Antriebsstrang auf
eine hohe bewegte Masse im Bereich der Kurbelwelle verzichten kann
und damit auch für einen Pendelhub geeignet ist. Gleichzeitig
wird der notwendige Bauraum der Presse mit einem Direktantrieb wesentlich
optimiert und verkleinert und es lassen sich einfache Maßnahmen
zur Geräuschdämmung des Antriebsstranges durch
Kapselung des im Wesentlichen zum Kurbeltrieb angrenzend verbauten
Motors verwirklichen.
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Die
Lösung der Aufgabe für eine erfindungsgemäße
Presse findet sich im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Aufbau ergeben sich die
folgenden Vorteile:
Die Presse kann, insbesondere bei einer
Anordnung des Direktantriebes innerhalb der Tragstruktur (Pressenrahmen)
mit einer kurzen Baulänge ausgeführt werden, was
insbesondere bei Servopressen in Pressenstraßen für
die Herstellung von Großkarosserieteilen von Vorteil ist.
Um die Transportwege zwischen den Pressen möglichst kurz
zu halten, müssen die Pressen dicht hintereinander stehen.
Je kürzer der Abstand, je schneller die Transferzeiten.
Großpressen sind meist mit vier Druckpunkten (Pleuelstangen-
oder Gelenkgetriebeanbindungen) am Stößel ausgeführt.
Die Abstände quer und längs zwischen den Druckpunkten
respektive der Pleuelstangen, kann nicht beliebig gewählt
werden, sondern muss nach Gesichtpunkten im Hinblick auf die Reduzierung
der Stößeldurchbiegung gewählt werden. Somit
kann sich beispielsweise in Durchlaufrichtung (= Achsrichtung der
Hauptantriebswelle) der Presse ein Pleuelabstand von 1.800 mm ergeben.
Die Länge des Pressenkopfes in Durchlaufrichtung wird somit durch
den Pleuelstangenabstand und den notwendigen Aufbau der Hauptlager
und Tragstrukturen bestimmt. Durch die Vorteile durch die Erfindung
zeigt sich in diesem Zusammenhang auch eine verbesserte Steuerungs-
und Regelungstechnische Qualität des Systems. Durch die
hohe Steifigkeit des Antriebssystems und die genau einstellbare
Momenten- und Winkelpositionsregelung des Motors ergeben sich keine
messbaren Abweichung zwischen zwei Kurbelzapfen und damit an den
Pleuelstangen an einer Kurbelwelle. Die Prozessdaten können
zusätzlich unmittelbar erfasst werden. Die Presse weist
durch den Direktantrieb keine zusätzlichen mechanischen Übertragungsglieder
(z. B. Getriebestufen) auf. Die am Motor gemessenen Parameter wie
Drehzahl, Drehmoment und Winkellage, kann ohne Fehler in Stößelgeschwindigkeit,
Presskraft und Stößelposition umgerechnet werden.
Verfälschungen durch Reibverluste oder Torsion, Zahnflankenspiel
etc. sind hervorragend eliminiert. Permanentmagnetmotoren, insbesondere
bei einer hohen Antriebsleistung, haben einen recht hohen Geräuschpegel.
Durch den Einbau in den Pressenkopf, kann durch relativ einfache
Maßnahmen, die Geräuschemissionen einfach reduziert
werden, z. B. durch Verschließen des Pressenkopfes an der
Ober- und Unterseite. Auch verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad
der Presse deutlich, da wesentlich weniger unbenutzte Kräfte
durch die Torsion oder die Momentenaufnahme in den Lagern bei einer
fliegenden Lagerung des Motors auftreten. In einem besonderen Ausführungsbeispiel kann
der Stator des Direktantriebes im Pressenkopf abgestützt
und/oder mit einer entsprechenden Drehmomentenstütze versehen
werden. Gegenüber einem konventionellen Direktantrieb,
hat der Motor somit keine eigene Lagerung und die Lagerung des Rotors
innerhalb des Stators wird durch die Hauptlagerung der Kurbelwelle
mit übernommen. Dadurch fallen keine zusätzlichen
Verluste mehr an.
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In
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel, insbesondere
bei Großpressen hoher Tonnage, wird der Direktantrieb auf
den tragenden Teil der Kurbelwelle gesetzt, d. h. er befindet sich
zwischen den Presskraft aufnehmenden Hauptlagern des mechanischen
Antriebs. Vorzugsweise befindet sich der Motor dann auch zwischen
den haupttragenden Tragstrukturen (zumindest zwei Pressenrahmen der
Presse) und konzentrisch zu der Hauptantriebswelle (Kurbelwelle).
Die Pleuelstangen, bzw. bei Gelenkantrieben die Schwenkhebel die
zur Pleuelstange führen, können sich hierbei entweder
links und rechts vom Motor und somit zwischen Motor und Hauptlager
(Tragstruktur des Pressenkopfes) oder einseitig zwischen Motor und
einem der Hauptlager befinden
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Weitere
vorteilhafte Maßnahmen und Ausgestaltungen des Gegenstandes
der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden
Beschreibung mit der Zeichnung hervor.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer mechanischen Presse mit einem Pressenrahmen
und einem Pressentisch, wobei im oberen Bereich der Presse, im Kopfbereich,
das Antriebssystem, bestehend aus zwei Kurbeltrieben mit jeweils
einer Kurbelwelle, einem Kurbelzapfen und einer mit einem Stößel
wirkverbundenen Pleuelstange,
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2 eine
weitere Ausführungsform in Seitenansicht nach 1,
wobei hier ebenfalls zwei Pleuelstangen auf einem Stößel
angeordnet sind, wobei diese getrennt voneinander über
einen Kurbeltrieb angetrieben werden, wobei die Kurbelwelle durch
eine Steckachse ersetzt ist und ein Exzenterrad mit direkt daran
angeordnetem Motor trägt,
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3 eine
weiteres Ausführungsbeispiel des Pressenantriebes in Seitenansicht
nach 2, wobei der Motor auf einer Kurbelwelle zwischen
zwei Kurbelzapfen angeordnet ist,
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4 eine
schematische Ansicht einer bevorzugten Reaktionskompensation zweier
angetriebenen Kurbelwellen mit einer Lagerung des Motors auf der
Kurbelwelle,
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5 eine
Seitenansicht nach 4 zur Darstellung der Lagerung
des Motors auf der Kurbelwelle,
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6 eine
weitere bevorzugte Ausführungsform des Kurbeltriebes mit
einem Gelenkantrieb und
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7 eine
mögliche Anordnung der erfindungsgemäßen
Presse in einer Pressenstraße.
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Nach 1 besteht
die Presse 21 zumindest aus einem Pressenrahmen 9,
einem darin gelagerten Tisch 8 und einem mittels zumindest
eines Kurbeltriebs 12 angetriebenen Stößel 5.
Vorzugsweise wird diese Presse 21 zur Einarbeitung von
Werkzeugen 15 oder zur Herstellung von Werkstücken
(nicht dargestellt) mittels zumindest einem Fertigungsverfahren
in einem Werkzeug 15 verwendet, wobei das Werkzeug zumindest
aus einem Werkzeugoberteil 6 an dem Stößel 5 und
einem Werkzeugunterteil 7 an dem Pressentisch 8 besteht.
Als Kurbeltrieb 12 ist zumindest eine Kurbelwelle 1 mit
zumindest einem Kurbelzapfen 2 und zumindest einer Pleuelstange 3 angeordnet,
wobei als Motor 14 für den Antrieb der Kurbelwelle 1 zumindest
ein direkt die Kurbelwelle 1 antreibender Direktantrieb
vorgesehen ist. In dem Kurbeltrieb 12, auch Exzenterantrieb
genannt, kann anstelle der Pleuelstange 3 oder zwischen
der Pleuelstange und dem Kurbelzapfen ein Gelenktrieb oder eine
Schubkurbel oder ähnliche Zwischenvorrichtungen angeordnet
sein, die üblicherweise zur Hubhöhenverstellung,
aus Sicherheitsgründen oder zur Einstellung der Sinuskurve
des Bewegungsverlaufes des Stößels benutzt werden.
Insbesondere ist zum Antrieb eines Kniehebeltriebs, eines Gelenktrieb,
einem weiteren Kurbeltrieb oder einer Kombination daraus der Kurbeltrieb 12 mit
diesen wirkverbunden angeordnet, wobei diese wiederum abtriebsseitig
mit dem Stößel 5 wirkverbunden angeordnet
sind.
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Nach 2 ist
der Motor im Wesentlichen angrenzend zu einem Kurbelzapfen 2 an
der Kurbelwelle 1 angeordnet. Je nach Ausführungsform
und Definitionslage kann eine so genannte Kurbelscheibe im oder
am Motor integriert sein. Bevorzugt ist dabei der Stator des Motors
so ausgeführt, dass dieser die Funktion der Kurbelscheibe übernimmt
und den Kurbelzapfen außerhalb der Mittelachse der Kurbelwelle 1 führt.
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Bevorzugt
ist ein Rotor (10) oder wesentliche Teile des Rotors (10)
eines Motors (10) mit zumindest einem Kurbelzapfen (2)
und/oder einem Teil der Kurbelwelle (1) als ein einstückiges
Maschinenelement ausgeführt. Bei zwei angeordneten Kurbelzapfen
(2) auf der Kurbelwelle (1) kann zumindest ein
Motor (14) zwischen den Kurbelzapfen (2) angeordnet
sein.
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Wie
aus den 2 und 3 ersichtlich kann
der Rotor 10 des Motors 14 auf der Kurbelwelle angeordnet
sein, wobei nach 2 jeweils eine Steckachse 27 einen
Kurbeltrieb 12 führt, der mittels Lager 29 auf
der Steckachse 27 gelagert ist. Bei dieser Ausführung
dreht sich bevorzugt nur das Exzenterrad 26, das als ein
einstückiges Maschinenelement den Kurbelzapfen 2 und
den Rotor 10 ausbildet. Bereits hier zeigt sich die extremste
Minimierung der bewegten Masse für eine Presse 21.
Ausgehende von dem Aufbau können die zwei Lager 29 zwischen der
Steckachse 27 und dem auf der Steckachse 27 sich
drehbar gelagerten Exzenterrad 26 auch als ein zusammenhängendes
Hauptlager 29 ausgeführt werden. Zum Drehmomentenausgleich
und/oder zur Lagerung des Motors 14 ist eine Halterung 30 vorgesehen,
die oben mit dem Pressenrahmen 9 verbunden ist. Der Motor 14 weist
als Direktantrieb in der Regel einen Stator 4 mit einer
Antriebswicklung 23 und einen darin angeordneten Rotor 10 mit
Permanentmagneten 23 und wäre dann als ein Permanent-Magnet-Motor
ausgeführt.
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Nach 3 ist
bei zumindest zwei Kurbelzapfen 2 auf einer Kurbelwelle 1 zumindest
ein Motor 14 zwischen den Kurbelzapfen 2 angeordnet. Insbesondere
ist bei einer Mehrzahl an Motoren oder Kurbelzapfen eine symmetrische
Anordnung zu bevorzugen. Es kann also vorgesehen sein, dass bei mehreren
Motoren 14 und mehreren Kurbelzapfen 2 zumindest
zwei Motoren 14 symmetrisch zu einer der Mittelachsen des
Pressenrahmens und/oder einer der Mittelachsen des Stößels 5 und/oder
zum Längsmittelpunkt der Kurbelwelle 1 und/oder
zur Anordnung der Kurbelzapfen 2 auf der Kurbelwelle 1 angeordnet
sind. Von Vorteil wäre auch, wenn der Rotor 10 des
Motors 14 und die Kurbelwelle 1 und/oder der Kurbelzapfen 2 aus
einem einstückigen Maschinenelement bestehen. Auch kann
in dem Kurbeltrieb 12 eine Höhenverstellung für
den Hub des Stößels 5 angeordnet sein.
Eine Überlastsicherung 11 bewahrt die Presse bei
Störfällen vor größeren Schäden
und entkoppelt im Schadensfall die Pleuelstangen 3 vom Stößel 5.
Vorzugsweise ist der Stator 4 des Motors 14 mit
einer Halterung 30 zur Aufnahme der Reaktionsdrehmomente
im Wesentlichen innerhalb des Pressenrahmens 9 und/oder
dem Kopfbereich oberhalb des auf- und abfahrenden Stößels 5 angeordnet.
Alternativ kann der Stator 4 des Motors 14 zur
Kurbelwelle 1 und/oder zum Rotor 10 ohne eine
Lagerung angeordnet sein.
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In
den 4 und 5 ist der Stator 4 koaxial
zur Kurbelwelle 1 und/oder der Rotor über die
Lager der Kurbelwelle geführt. Dabei kann der Stator 4 eines
Motors 14 auf einem Lager 31 an dem Rotor 10 angeordnet
sein und zur Kompensation der auftretenden Drehmomente an dem Stator 4 eine
Drehmomentenstütze 32 mit Verbindung zum Pressenrahmen 9 sinnvoll
erscheinen. Insbesondere nach 4 zeigt
sich, dass bei zwei angeordneten Kurbelwellen 1 jeder Stator 4 eines
Motors 14 auf einem Lager 31 an dem Rotor 10 angeordnet
ist und zur Kompensation der auftretenden Drehmomente an den Statoren 4 eine
Drehmomentenstütze 32 mit Verbindung zum Motor 14 auf
der benachbarten Kurbelwelle 1 angeordnet eine gegenseitige
Abstützung der Drehmomente ermöglicht. Dies hat
insbesondere Vorteile hinsichtlich der Schwingungsübertragung
auf den Pressenrahmen 9. Wie dargestellt kann der Motor 14 und
der Kurbeltrieb 12 innerhalb einer durch den Pressenrahmen 9 gebildete
Tragkonstruktion angeordnet sein, wobei bei derartigen Pressenrahmen insbesondere
eine Presskraft von über 200 Tonnen, bevorzugt über
500 Tonnen, besonders bevorzugt von über 800 Tonnen bewirkt
werden kann. Insbesondere ist bei derartigen Pressen der Hub des
Stößels 5 von über 300 m, bevorzugt über
600 mm, besonders bevorzugt von über 900 mm möglich.
Bevorzugt wird die Presse 21 für ein Fertigungsverfahren, das
zumindest das Urformen, das Trennen, das Fügen, das Beschichten
und/oder das Umformen, insbesondere das Metallumformen, umfasst,
verwendet.
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6 zeigt
anstelle eines Kurbeltrieb 12, der anstelle der Pleuelstangen 3 einen
Gelenkantrieb 33 aufweist.
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7 zeigt
die Verwendung der Presse 21 als Kopfpresse 18 einer
Pressenstraße 17, als Einarbeitungspresse für
Werkzeuge 15 einer Pressenstraße 17 und/oder
als zumindest eine Transferpresse 16 in einer Transferpressenstraße 17 und/oder
als Vorpresse 19 in Fertigungsrichtung 20 vor
einer Transferpressenstraße 17.
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Im
Rahmen der Erfindung kann auch zumindest ein Rotor 10 des
Motors 14 mit einer fliegenden Lagerung an zumindest einem
Ende der Kurbelwelle 1 angeordnet sein kann, sofern die
die Ausführung als einstückiges Maschinenelement
von Rotor bis zum Kurbelzapfen gewährleistet ist. Der Motor
respektive der Rotor des Motors befindet sich dann außerhalb
der Hauptlagerung der Kurbelwelle bzw. der tragenden Struktur respektive
des Pressenrahmens der Presse.
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Vorzugsweise
sind die Lager 24 der Kurbelwelle 1 in aus dem
Pressenrahmen 9 entnehmbaren Lagerschildern angeordnet,
damit eine Öffnung mit einem Montagedurchmesser im Pressenrahmen
eröffnet werden kann, die vom Durchmesser her vorzugsweise
gleich oder größer als der Durchmesser des Rotors
auf der Welle respektive des größten Durchmessers
auf der Welle entspricht. Es kann bei der Montage hilfreich sein,
dass eine in der Längsachse zumindest einmal geteilte Kurbelwelle 1 in
der Presse angeordnet ist, die beispielsweise eine Flanschverbindung,
abnehmbare Lagerzapfen oder eine Welle/Nabe-Verbindung aufweist.
Besonders bevorzugt ist der Rotor 10 auf der Kurbelwelle 1 unlösbar
angeordnet. Hierzu kann zur Verbindung des Rotors 12 mit
der Kurbelwelle 1 eine Schrumpfpassung, eine Schweißverbindung,
eine Lötverbindung, eine Reibschweißverbindung,
eine Verklebung und/oder eine andere untrennbare Fügeverbindung verwendet
werden. Eine bevorzugte Ausführung des Rotors 10 wären
Nuten und/oder Vertiefungen zur Aufnahme der Permanentmagneten 22,
die erst nach der Fertigstellung des einstückigen Maschinenelements
eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kurbelwelle
- 2
- Kurbelzapfen
- 3
- Pleuelstange
- 4
- Stator
- 5
- Stössel
- 6
- Werkzeugoberteil
- 7
- Werkzeugunterteil
- 8
- Tisch
- 9
- Pressenrahmen
- 10
- Rotor
- 11
- Überlastsicherung
- 12
- Kurbeltrieb
- 13
-
- 14
- Motor
- 15
- Werkzeug
- 16
- Transferpresse
- 17
- Transferpressenstraße
- 18
- Kopfpresse
- 19
- Vorpresse
- 20
- Fertigungsrichtung
- 21
- Presse
- 22
- Permanentmagnet
- 23
- Antriebswicklung
- 24
- Lager
in 9
- 25
- Lagerdeckel
- 26
- Exzenterrad
- 27
- Steckachse
- 28
- Montageöffnung
- 29
- Lager
für 26
- 30
- Halterung
- 31
- Motorlager
- 32
- Drehmomentenstütze
- 33
- Gelenkantrieb
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2840710 [0006]
- - DE 10260127 A1 [0006]
