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Die vorliegende Erfindung betrifft eine mittengestützte Walze. Derartige Walzen, die auch unter der englischen Bezeichnung ”center supported roll” bekannt sind, finden in der Herstellung von bahnenförmigem Material Verwendung.
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Für eine hohe Produktqualität ist es bei der Herstellung von bahnenförmigem Material wichtig, zwischen zwei Walzen, zwischen denen das bahnenförmige Material hindurchgeführt wird, einen über die ganze Länge der Walzen gleichmäßigen Spalt vorzusehen und zwischen den Walzen über die ganze Länge der Walzen einen gleichmäßigen Druck aufzubauen.
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Bei der Herstellung von bahnenförmigem Material ist für eine hohe Produktivität weiter eine große Breite der Bahn erforderlich. Dies hat zur Folge, dass die Länge der Walzen, zwischen denen das bahnenförmige Material hindurchgeführt wird, relativ groß ist.
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Mit zunehmender Länge der Walzen lässt sich bei endgestützten Walzen ein Durchhängen der Walzen bereits aufgrund des Eigengewichts der Walzen nicht mehr verhindern. Dies ist schematisch in 1A gezeigt. Dabei bezeichnen die Bezugszeichen W1', W2' die gegenüberliegenden endgestützten Walzen, L1', L2' die Lager der Walzen, und B' das zwischen den Walzen geführte Material. Die untere Walze W2' ist ortsfest gelagert, die obere Walze W1' wird mit einer gewünschten Kraft PAP gegen die untere Walze W2' gedrückt. Der Druckverlauf zwischen den Walzen in axialer Richtung der Walzen ist schematisch durch Pfeile P' dargestellt.
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Ein weiteres Problem tritt bei endgestützten Walzen auf, welche eine endlose Bespannung und insbesondere ein endloses Sieb (z. B. zur Entwässerung bei der Papierherstellung) führen. Die Struktur in der Bespannung in Querrichtung wird durch die Durchbiegung der Walzen beeinflusst. Bei starken Durchbiegungen, die sich über mehrere hintereinander angeordnete Walzen summieren, eilt die Bespannung in der Maschinenmitte vor. Außerdem entsteht meist auch ein Effekt, der die Bespannung in Querrichtung zusammenschieben will. Dadurch wird das Gewebe der Bespannung verschoben. Dies hat beispielsweise bei Verwendung in der Entwässerung bei der Papierherstellung eine ungleichmäßige Entwässerung ist die Folge.
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Zur Lösung dieses Problems ist bekannt, mittengestützte Walzen zu verwenden.
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Eine mittengestützte Walze W' besteht im wesentlichen aus einer an ihren beiden Enden mittels Lagern L' gelagerten Welle A', welche von einem Hohlzylinder H' umgeben ist. Der Hohlzylinder H' ist in einem in Längsrichtung mittleren Abschnitt M' mittels eines Koppelelements K' drehfest mit der ihn tragenden Welle A' verbunden, die beiden Enden des Hohlzylinders in Längsrichtung sind jedoch bedingt frei. Die Außenseite des Hohlzylinders H' bildet die Nutzfläche der mittengestützten Walze W'.
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Aufgrund dieses Aufbaus erfolgt die Verformung des Hohlzylinders der mittengestützten Walze W' genau entgegengesetzt zur Durchbiegung einer gegenüberliegenden außengestützten Walze W2', die mittels Lagern L2' an ihren beiden Enden gelagert ist. Damit stellt die mittengestützte Walze W' den maximalen Druck P in der Mitte der Walze W' bereit, wo er aufgrund der Ausweichbewegung der gegenüberliegenden Walze W2', benötigt wird.
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Dies ist schematisch in 1B gezeigt.
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Weiter kann durch die Verwendung von mittelgestützten Walzen seriell zu außengestützten Walzen, welche Druck auf ein Sieb (z. B. zur Entwässerung bei der Papierherstellung) ausüben, ein negativer Einfluss der Walzen auf die Struktur des Siebes kompensiert werden. Dies basiert auf der Tatsache, dass sich mittelgestützte Walzen genau umgekehrt wie außengestützte Walzen verformen. Hierdurch kann eine verbesserte Gleichmäßigkeit der Siebstruktur über die Breite und damit eine verbesserte Entwässerung erzielt werden.
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Ein Beispiel für eine mittengestützte Walze aus dem Stand der Technik ist in dem Dokument
US 3,678,846 beschrieben. In die zugrundeliegende Physik wird im Dokument ”hake Flat Sheet Using Contrabend Rolls” von Richard Palmer, vorgesellt auf der Konferenz ANTEC 2000, eingeführt.
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Beispiele für zwischen den Walzen geführtes bahnenförmiges Material sind Papierbahnen in der Papierindustrie oder Kunststoffbahnen in der Kunststoffindustrie. In der Papierindustrie werden die mittengestützten Walzen insbesondere in der Entwässerungspartie und dort insbesondere in der Siebpartie zur Führung bzw. Breitstreckung des Siebes eingesetzt.
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Bei bekannten mittengestützten Walzen ist die konkrete Ausgestaltung des Koppelelements zur Lagerung des Hohlzylinders unbefriedigend. So treten im Hohlzylinder benachbart zum Koppelelement hohe Kerbspannungen auf, welche die Integrität des Hohlzylinders gefährden. Dabei ist zu beachten, dass das Koppelelement nicht zu breit ausgeführt werden darf, da sonst die für die Funktionsweise der mittengestützten Walze erforderliche Flexibilität des Hohlzylinders verloren geht. Bei einem zu schmalen Koppelelement ist wiederum keine ausreichende Stütze des Hohlzylinders mehr gewährleistet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mittengestützte Walze bereitzustellen, bei welcher einerseits das Auftreten von hohen Kerbspannungen im Hohlzylinder in der Nachbarschaft des Koppelelements vermieden wird, und andererseits eine ausreichende Flexibilität des Hohlzylinders sichergestellt ist.
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Die vorstehende Aufgabe wird durch die Kombination der Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen finden sich in den Unteransprüchen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist eine mittengestützte Walze eine Welle mit endseitigen Achslagern, einen die Welle in einem Bereich zwischen den Achslagern in einem radialen Abstand umschließenden Hohlzylinder, ein in einem in Längsrichtung des Hohlzylinders mittleren Abschnitt zwischen der Welle und dem Hohlzylinder angeordnetes Koppelelement, welches den Hohlzylinder trägt und drehfest mit der Welle verbindet, und ein in Längsrichtung der Welle und des Hohlzylinders angrenzend zum Koppelelement angeordnetes Dämpfungselement auf. Das Dämpfungselement füllt beidseits des Koppelelements in zwei sich in Längsrichtung erstreckenden Abschnitten den zwischen der Welle und dem Hohlzylinder und/oder zwischen der Welle und dem Koppelelement bestehenden Abstand in radialer Richtung vollständig aus. Dabei schließen sich die beiden Abschnitte nahtlos an das Koppelelement an. Die Härte des das Dämpfungselement bildenden Werkstoffs gemessen nach Shore-A beträgt höchstens 99 ShA und wenigstens 20 ShA und insbesondere wenigstens 50 ShA und weiter insbesondere wenigstens 80 ShA. Das Koppelelement ist hingegen aus einem Werkstoff mit größerer Härte als das Dämpfungselement gebildet, so dass das Dämpfungselement weicher als das Koppelelement ist. Hinsichtlich des relativen Härteunterschieds zwischen dem Dämpfungselement und dem Koppelelement ist unbeachtlich, ob eine Härtemessung nach Shore-A für das Material, welches das Koppelelement bildet, genormt ist. Ausreichend ist, wenn sich durch eine Härtemessung nach Shore-A eine Aussage über die relative Härte beider Materialien treffen lässt. Bei der Welle kann es sich wahlweise um eine massive Welle oder eine Hohlwelle handeln. Der Hohlzylinder kann in Längsrichtung der Welle einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein.
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Durch das Vorsehen des relativ weichen Dämpfungselements angrenzend zum relativ harten Koppelelement wird das Auftreten von hohen Kerbspannungen bei einer Verformung des Hohlzylinders aufgrund einer Belastung der Walze wirkungsvoll verhindert, da das Dämpfungselement eine zu großen Verformung des Hohlzylinders benachbart zum Koppelelement verhindert.
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Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Länge des Dämpfungselements in Längsrichtung der Welle und des Hohlzylinders wenigstens das 1-fache und insbesondere wenigstens das 1,2-fache, und weiter insbesondere wenigstens das 1,5-fache und weiter insbesondere wenigstens das 2-fache des in Radialrichtung zwischen der Welle und dem Hohlzylinder bestehenden Abstands. Hierdurch wird eine ausreichende Dämpfung sichergestellt.
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Weiter beträgt die Länge des Dämpfungselements in Längsrichtung der Welle und damit auch in Längsrichtung des Hohlzylinders gemäß einer Ausführungsform höchstens dem 10-fachen und insbesondere höchstens dem 6-fachen, und weiter insbesondere höchstens dem 5-fachen des in Radialrichtung zwischen der Welle und dem Hohlzylinder bestehenden Abstands. Hierdurch wird sichergestellt, dass eine ausreichende Flexibilität des Hohlzylinders verbleibt.
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Der in radialer Richtung zwischen der Welle und dem Hohlzylinder bestehende Abstand wird gemäß einer Ausführungsform bei unbelasteter Walze angrenzend zum Koppelelement gemessen. Bei der Länge des Dämpfungselements handelt es sich um die entlang der Längsrichtung der Welle maximale Erstreckung des Dämpfungselements in unbelastetem Zustand.
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In Ausführungsformen liegt die vorstehende Länge des Dämpfungselements in Längsrichtung der Welle innerhalb der folgenden Bereiche:
1-facher Abstand bis 7-facher Abstand, 1-facher Abstand bis 6-facher Abstand, 1-facher Abstand bis 5-facher Abstand, 1,2-facher Abstand bis 7-facher Abstand, 1,2-facher Abstand bis 6-facher Abstand, 1,2-facher Abstand bis 5-facher Abstand, 1,5-facher Abstand bis 7-facher Abstand, 1,5-facher Abstand bis 6-facher Abstand, 1,5-facher Abstand bis 5-facher Abstand, 2-facher Abstand bis 7-facher Abstand, 2-facher Abstand bis 6-facher Abstand und 2-facher Abstand bis 5-facher Abstand.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die Welle und der Hohlzylinder jeweils aus Metall und/oder Faser-Kunststoff-Verbund und insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gebildet, und ist das Dämpfungselement aus einem elastischen Werkstoff gebildet.
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Bei dem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff kann es sich im Rahmen dieser Anmeldung beispielsweise um einen reinen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff oder auch um Mischverbunde aus Kohle und Glas, Kohle und Aramid oder Kohle und Naturfaser handeln. Bei dem Faser-Kunststoff-Verbund kann es sich im Rahmen dieser Anmeldung alternativ beispielsweise auch um einen Mischverbund aus Glas und Aramid oder Glas und Naturfasern oder nur Glas handeln.
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Im Rahmen dieser Anmeldung wird unter einem elastischen Werkstoff ein Werkstoff verstanden, dessen elastische Eigenschaften von einem darin enthaltenen Anteil an elastischem Kunststoff bestimmt werden. Der elastische Kunststoff muss dabei kein Elastomer im chemischen Sinne sein. Der Werkstoff kann durch Zusatzstoffe verstärkt sein, und beispielsweise auch in Form eines Schaums vorliegen. Beispiele für geeignete elastische Kunststoffe sind: Polyurethane, Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere, wobei auch andere elastische Kunststoffe verwendet werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Koppelelement in Längsrichtung der Welle (und damit auch des Hohlzylinders) jeweils eine Stirnseite auf, welche mit der Welle einen kleinsten Winkel von zwischen 30° und 60° und insbesondere von zwischen 40° und 50° und weiter insbesondere 45° einschließt. Dabei ist die Neigung der Stirnseite so orientiert, dass das Koppelelement die Welle über eine größere Länge als den Hohlzylinder kontaktiert. Die radiale Erstreckung des Koppelelements nimmt somit ausgehend von der Welle rampenförmig zu. Das Dämpfungselement füllt den in radialer Richtung zwischen der Stirnseite des Koppelelements und dem Hohlzylinder verbleibenden Abstand aus, und grenzt somit vollständig an die Stirnseite an.
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Gemäß einer Ausführungsform entspricht die Länge des Koppelelements (in unbelastetem Zustand der Walze) in Längsrichtung des Hohlzylinders zwischen 20% und 60% und insbesondere zwischen 20% und 50% und weiter insbesondere zwischen 20% und 40% und insbesondere 25% der Länge des Hohlzylinders. Die Länge des Koppelelements wird dabei an seiner Verbindungsstelle mit dem Hohlzylinder gemessen.
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Eine Länge des Koppelelements von 25% der Länge des Hohlzylinders ist bevorzugt.
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Der Hohlzylinder ist gemäß einer Ausführungsform aus einem radial innen angeordneten ersten Hohlzylinder aus Faser-Kunststoff-Verbund und insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und einem den ersten Hohlzylinder radial außen umgebenden zweiten Hohlzylinder (H2) aus Faser-Kunststoff-Verbund und insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gebildet. Dabei weist der Faserwerkstoff, welcher zusammen mit einem Matrixwerkstoff den äußeren Hohlzylinder bildet, einen kreuzlagendominierten Wickelaufbau auf. Gemäß Ausführungsformen weist auch der innere Hohlzylinder einen kreuzlagendominierten Wickelaufbau auf.
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Dabei wird unter kreuzlagendominiertem Wickelaufbau ein Wickelaufbau verstanden, bei dem in wenigstens 70% und insbesondere wenigstens 80% und weiter insbesondere wenigstens 90% der Lagen bezogen auf die Gesamtdicke des Wickelaufbaus der Faserwerkstoff zwischen 5° und 85° und insbesondere zwischen 5° und 45° zur Längsrichtung der Walze gewickelt ist. In der Folge schließt der Faserwerkstoff in den Lagen, die wenigstens 70% und insbesondere wenigstens 80% und weiter insbesondere wenigstens 90% der Gesamtdicke der Walze bilden, mit der Längsrichtung der Walze einen Winkel von zwischen 5° und 85° und insbesondere zwischen 5° und 45° ein. Eine Lage mit einem derartigen Wickelaufbau wird auch als Kreuzlage bezeichnet.
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Die Kreuzlage wird von einer Lage unterschieden, bei welcher der Faserwerkstoff mit der Längsrichtung der Walze einen Winkel von mehr als 85° bis 90° einschließt. Ein Lage mit einem derartigen radialen Wickelaufbau wird auch als Umfangslage bezeichnet. Weiter wird die Kreuzlage von einem Wickelaufbau unterschieden, bei dem der Faserwerkstoff mit der Längsrichtung der Walze einen Winkel von weniger als 5° einschließt. Ein Lage mit einem derartigen axialen Wickelaufbau wird auch als Axiallage bezeichnet.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform, welche auch mit der vorstehenden Ausführungsform kombiniert werden kann, weist eine mittengestützte Walze eine Welle mit endseitigen Achslagern, einen die Welle in radialer Richtung umschließenden Hohlzylinder, und ein in Längsrichtung der Welle und des Hohlzylinders in einem mittleren Abschnitt zwischen der Welle und dem Hohlzylinder angeordnetes Koppelelement, welches den Hohlzylinder drehfest mit der Welle verbindet, auf. Der Hohlzylinder ist aus einem radial innen angeordneten ersten Hohlzylinder aus Faser-Kunststoff-Verbund und insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff und einem den ersten Hohlzylinder radial außen umgebenden zweiten Hohlzylinder aus Faser-Kunststoff-Verbund und insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gebildet. Dabei weist der den zweiten Hohlzylinder zusammen mit einem Matrixwerkstoff bildende Faserwerkstoff einen kreuzlagendominierten Wickelaufbau, und der den ersten Hohlzylinder zusammen mit einem Matrixwerkstoff bildende Faserwerkstoff einen von einem kreuzlagendominierten Wickelaufbau verschiedenen Wickelaufbau, insbesondere einen radial-dominierten Wickelaufbau auf.
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Ein zweimanteliger Aufbau des Hohlzylinders erlaubt es, zunächst den inneren Hohlzylinder herzustellen und mittels einer Spielpassung über das Koppelelement zu schieben, und die drehfeste Verbindung mit dem Koppelelement durch eine Presspassung herzustellen, welche von dem kreuzlagendominierten Wickelaufbau des äußeren Hohlzylinders hervorgerufen wird. In der Folge kann der Hohlzylinder in Längsrichtung der Achse einstückig gebildet sein, was erhebliche Vorteile im Hinblick auf seinen Stabilität bringt. Weiter sorgt die Presspassung für eine automatische Koaxialität zwischen dem Hohlzylinder und dem Koppelelement und damit der Welle. Schließlich ist es so möglich, Hohlzylinder mit über die ganze Länge des Hohlzylinders konstanter Wandstärke zu verwenden.
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Weitere Ausführungsformen stellen ein Verfahren zur Herstellung einer mittengestützten Walze bereit, welches die Schritte des Bereitstellens einer Welle mit endseitigen Achslagern; des drehfesten Anordnens eines die Welle entlang ihres Umfangs umgebenden Koppelelements in einem in Längsrichtung der Welle mittleren Abschnitt der Welle; des Bereitstellens eines ersten Hohlzylinders, wobei eine Passung zwischen dem Innendurchmesser des ersten Hohlzylinders und dem Außendurchmessers des Koppelelements eine Spielpassung ist; des Einbringens der Welle mit dem Koppelelement in den ersten Hohlzylinder so, dass das Koppelelement in einem in Längsrichtung des ersten Hohlzylinders mittleren Abschnitt des ersten Hohlzylinders angeordnet ist; des kreuzlagendominierten Aufbringens von Faserwerkstoff und Matrixwerkstoff auf den ersten Hohlzylinder zur Bildung eines den ersten Hohlzylinder umgebenden zweiten Hohlzylinders aus Faser-Kunststoff-Verbund; und des Aushärtens des zweiten Hohlzylinders zur Bewirkung einer dauerhaften Presspassung zwischen dem ersten Hohlzylinder und dem Koppelelement auf. Bevorzugt ist der erste innere Hohlzylinder vor dem Aufbringen des zweiten äußeren Hohlzylinders noch nicht völlig ausgehärtet und damit vernetzt. Das Aushärten erfolgt je nach verwendetem Material durch geeignete Temperaturführung z. B. durch Tempern und fakultativ unter Druck.
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Dabei wird unter einer Spielpassung gemäß Ausführungsformen eine Passung verstanden, bei der das Größtmaß (d. h. inklusive Toleranz) des maximalen Außendurchmessers des Koppelelements um zwischen 0 mm und 2 mm und insbesondere zwischen 0 mm und 1 mm und weiter insbesondere zwischen 0,2 mm und 0,8 mm kleiner ist, als das Kleinstmaß (d. h. inklusive Toleranz) des Innendurchmessers des ersten inneren Hohlzylinders, sofern das Größtmaß des maximalen Außendurchmessers des Koppelelements in einen Bereich von 550 mm bis 1500 mm und insbesondere 600 mm und 1350 mm fällt.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter ein Einbringen von Werkstoff, dessen Härte gemessen nach Shore-A höchstens 99 ShA und wenigstens 20 ShA und insbesondere wenigstens 50 ShA und weiter insbesondere wenigstens 80 ShA beträgt, in den in Radialrichtung zwischen der Welle und dem Hohlzylinder und/oder zwischen der Welle und dem Koppelelement bestehenden Abstand beidseits des Koppelelements zur Bildung von sich beidseits des Koppelelements erstreckenden Dämpfungselementen. Dabei ist das Koppelelement aus einem Werkstoff mit größerer Härte als die Dämpfungselemente gebildet.
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Es wird betont, dass im Rahmen dieser Anmeldung unter Hohlzylinder ein Körper verstanden wird, dessen äußere Form ohne äußere Krafteinwirkung im Wesentlichen der eines geraden Kreiszylinders entspricht. Dabei bedeutet ”im Wesentlichen”, dass in Längsrichtung Abweichungen um maximal 10% und in radialer Richtung Abweichungen um maximal 3% von der Form eines Kreiszylinders im mathematischen Sinn erlaubt sind, so dass bauchige oder taillierte Hohlzylinder zulässig sind. Weiter ist der Körper innen hohl, d. h. es existiert in unmontiertem Zustand des Hohlzylinders ein die beiden Grundflächen des Hohlzylinders verbindender Freiraum. Die Wandstärke des Hohlzylinders kann in axialer Richtung variieren. Weiter kann der Hohlzylinder einstückig ausgebildet oder aus mehreren miteinander verbundenen Teilen gebildet sein.
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In Ausführungsformen stützt das Koppelelement den Hohlzylinder an seinen ganzen Innenumfang. Beispielsweise kann das Koppelelement rotationssymmetrisch ausgebildet sein, und die Welle ringförmig umgeben.
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Gemäß Ausführungsformen ist das Koppelelement aus dem gleichen Material gebildet, wie die Welle oder der Hohlzylinder. Gemäß einer Ausführungsform ist das Koppelelement einstückig mit der Welle oder dem Hohlzylinder ausgebildet, gemäß einer anderen Ausführungsform ist das Koppelelement zusätzlich zur Welle und dem Hohlzylinder als separates Teil ausgebildet. Beispielsweise kann das Koppelelement aus einem Faser-Kunststoff-Verbund gebildet sein.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigt:
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1A Eine Walzenanordnung nach dem Stand der Technik mit zwei gegenüberliegenden herkömmlichen endgestützten Walzen;
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1B eine Walzenanordnung nach dem Stand der Technik mit einer herkömmlichen endgestützten Walze und einer gegenüberliegenden mittengestützten Walze;
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2A eine erste Ausführungsform einer mittengestützten Walze;
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2B eine zweite Ausführungsform einer mittengestützten Walze;
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2C eine dritte Ausführungsform einer mittengestützten Walze;
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3 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer mittengestützten Walze gemäß der dritten Ausführungsform;
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4A ein Beispiel einer Kreuzlage einer Walze;
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4B ein Beispiel einer Umfangslage einer Walze;
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4C ein Beispiel einer Axiallage einer Walze; und
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5A–5D Querschnittsansichten durch beispielhafte Walzenmäntel mit kreuzlagendominiertem Wicklungsaufbau.
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In 2A ist eine erste Ausführungsform einer mittengestützten Walze W gezeigt.
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Die mittengestützte Walze W weist eine von zwei Lagern L gestützte Welle A auf, die in der vorgestellten Ausführungsform aus einem massiven Stahlzylinder gebildet ist. Alternativ kann es sich auch um eine Hohl-Welle aus Stahl oder eine massive Welle oder Hohl-Welle aus einem von Stahl verschiedenen Material handeln. In einem mittleren Bereich M der Welle A ist durch Verschweißen drehfest ein ringförmiges Koppelelement K aus Stahl befestigt. Das ringförmige Koppelelement K trägt einen Hohlzylinder H, welcher ebenfalls aus Stahl gebildet ist und eine konstante Wandstärke aufweist. Der Hohlzylinder H ist in Längsrichtung der Welle aus zwei Teil-Hohlzylindern H1, H2 gebildet. Der Hohlzylinder H ist so über dem Koppelelement K angeordnet, dass das Koppelelement K in einem in Längsrichtung des Hohlzylinders H mittleren Abschnitt M des Hohlzylinders H angeordnet ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Hohlzylinder H durch Verschweißen drehfest mit dem Koppelelement K verbunden.
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In Längsrichtung der Welle A sind beidseits des Koppelelements K ringförmige Dämpfungselemente D angeordnet, welche unmittelbar an das Koppelelement K angrenzen. In der gezeigten Ausführungsform sind die Dämpfungselement D aus Polyurethan mit einer nach Shore-A gemessenen Härte von 80 ShA gebildet, und damit aus einem Material, welches deutlich weicher ist, als der das Koppelelement K bildende Stahl. Das Dämpfungselement D ist in zwei Bereichen M1, M2 beidseits des Koppelelements K angeordnet uns läuft in Längsrichtung der Welle A in eine Richtung weg vom Koppelelement K an seinem Ende jeweils rampenförmig aus.
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In der gezeigten Ausführungsform beträgt die Länge des Dämpfungselements in Längsrichtung der Welle A das 1,5-fache des Abstandes S zwischen der Welle A und der Innenseite des Hohlzylinders H. Eine Länge des Koppelelements K in Längsrichtung der Achse beträgt in der gezeigten Ausführungsform 25% der Länge des Hohlzylinders H.
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Aufgrund der benachbart zum Koppelelement K angeordneten Dämpfungselemente D wird eine Verformung des Hohlzylinders H unter Belastung der Walze W im Bereich des Koppelelements K abgeschwächt, wodurch das Auftreten von hohen Kerbspannungen vermieden werden kann.
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In 2B ist eine zweite Ausführungsform einer mittengestützten Walze W* gezeigt.
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Gemäß dieser zweiten Ausführungsform weist die mittengestützte Walze W* eine Hohl-Welle A aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff auf, welche in ihren Endbereichen in zwei Lagern L gelagert ist. Durch Auflaminieren (beispielsweise im Wickelverfahren) ist ein rotationssymmetrisches Koppelelement K* drehfest mit der Welle A verbunden. Dieses Koppelelement K* weist in der gezeigten Ausführungsform in Längsrichtung der Welle A jeweils zwei Stirnseiten F auf, welche mit der Welle A einen Winkel von 45° einschließen. Dabei ist die Neigung der Stirnseite F so gewählt, dass das Koppelelement K* die Welle A über eine größere Länge als den Hohlzylinder H kontaktiert. Das insgesamt ringförmig Koppelelement K* hat somit eine trapezförmigen Querschnittsfläche. Auch der Hohlzylinder H ist in der gezeigten Ausführungsform aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff gebildet und durch Auflaminieren drehfest mit dem Koppelelement K* verbunden. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf einen Winkel von 45° zwischen der Stirnseite F des Koppelelements K* und der Welle A beschränkt. Auch braucht dieser Winkel nicht konstant zu sein, sondern kann sich im Verlauf ändern. Beispielsweise ist auch ein stufenförmiger Verlauf mit dazwischenliegenden Rampen möglich, welche Rampen mit der Welle A einen Winkel von insbesondere zwischen 10° und 80° einschließen.
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Das Dämpfungselement D* füllt im Bereich der Stirnseiten F des Koppelelements K* den Raum zwischen Koppelelement K* und Hohlzylinder H in radialer Richtung vollständig aus. In der Folge ändert sich der Anteil des Dämpfungselements D* in radialer Richtung ausgehend vom Koppelelement K* in Längsrichtung der Welle A kontinuierlich, wodurch sich eine Dämpfung einer Verformung des Hohlzylinders H infolge des Dämpfungselements D* kontinuierlich ändert. Hierdurch können Kerbspannungen im Hohlzylinder H noch weiter herabgesetzt werden. In dieser zweiten Ausführungsform ist das Dämpfungselement D* aus Epoxydharz mit einer nach Shore-A gemessenen Härte von 90 ShA gebildet.
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In 2C ist eine dritte Ausführungsform einer mittengestützten Walze W** gezeigt.
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Die mittengestützte Walze W** gemäß der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der in 2A gezeigten mittengestützten Walze W zum einen dadurch, dass für die Welle A ein Mischverbund aus Glas und Aramid und damit ein faserverstärkter Kunststoff verwendet wurde, und für das Koppelelement K Kunststoff. Zum anderen ist gemäß der dritten Ausführungsform der Hohlzylinder aus einem ersten inneren Hohlzylinder H1 und einem zweiten äußeren Hohlzylinder H2 und damit mehrschichtig aufgebaut. Sowohl der innere als auch der äußere Hohlzylinder H1, H2 bestehen aus einem Mischverbund aus Glas und Aramid und damit einem faserverstärkten Kunststoff. Dabei ist ein Faserwerkstoff, welcher zusammen mit einem Matrixwerkstoff den faserverstärkten Kunststoff des äußeren Hohlzylinders H2 bildet, so orientiert, dass er einen kreuzlagendominierten Wickelaufbau aufweist.
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Ein Faserwerkstoff, welcher zusammen mit einem Matrixwerkstoff den faserverstärkten Kunststoff des inneren Hohlzylinders H1 bildet, weist hingegen einen von einem kreuzlagendominierten Wickelaufbau verschiedenen Wickelaufbau auf. Dieser Unterschied zwischen dem inneren und dem äußeren Hohlzylinder H1, H2 ist jedoch nur fakultativ.
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In dieser dritten Ausführungsform ist das Dämpfungselement D** in Längsrichtung der Welle A mehrschichtig ausgebildet, wobei die Härte der das Dämpfungselement D** bildenden Werkstoffe ausgehend vom Koppelelement K in Längsrichtung der Welle A abnimmt. In der gezeigten Ausführungsform schließt sich an das Koppelelement K in Längsrichtung der Welle A zunächst eine Schicht aus Polyurethan mit einer nach Shore-A gemessenen Härte von 90 ShA und anschließend eine Schicht von Polyurethan mit einer nach Shore-A gemessenen Härte von 80 ShA an. Aufgrund dieses mehrschichtigen Aufbaus des Dämpfungselements D** nimmt die durch das Dämpfungselement D** bewirkte Dämpfung einer Verformung des Hohlzylinders ausgehend vom Koppelelement K schrittweise ab. Hierdurch können Kerbspannungen im Hohlzylinder H noch weiter herabgesetzt werden.
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Im Folgenden wird unter Verweis auf die 3 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung einer mittengestützten Walze W** kurz beschrieben. Eine nach diesem Verfahren hergestellte Walze ist in 2C gezeigt.
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In einem ersten Schritt S1 wird eine Welle A mit endseitigen Achslagern L bereitgestellt. Diese Welle A kann aus einem je nach Anwendungsfall geeigneten Material wie beispielsweise Metall oder Kunststoff (insbesondere faserverstärktem Kunststoff) gebildet sein.
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In einem zweiten Schritt S2 wird in einem mittleren Abschnitt M der Welle ein die Welle um ihren Umfang umschließendes Koppelelement K drehfest an der Welle A befestigt. Das Koppelelement K kann je nach Anwendungsfall aus einem geeigneten Material wie beispielsweise Metall oder Kunststoff gebildet sein. Weiter kann das Koppelelement K getrennt von der Welle A hergestellt, auf der Welle A aufgebaut oder sogar einstückig mit der Welle A ausgebildet sein. Das Koppelelement K kann eine ringförmige und insbesondere rotationssymmetrische Form aufweisen, wobei die Rotationsachse koaxial zu einer Achse der Welle A orientiert ist.
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Anschließend wird in einem dritten Schritt S3 ein erster Hohlzylinder H1 bereitgestellt, wobei eine Passung zwischen dem Innendurchmesser R1 des ersten Hohlzylinders H1 und dem Außendurchmesser R2 des Koppelelements K so gewählt ist, dass sie eine Spielpassung ist. Der erste Hohlzylinder H1 kann in Längsrichtung der Welle auch zweiteilig ausgebildet sein.
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Zur Herstellung der in 2C gezeigten Walze W** weist das Koppelelement K einen Außendurchmesser R2 mit einem Größtmaß von 899 mm und der ersten Hohlzylinders H1 einen Innendurchmesser mit einem Kleinstmaß von 900 mm auf. Somit besteht zwischen dem Außendurchmesser R2 des Koppelelements K und dem Innendurchmesser R1 des ersten Hohlzylinders H1 eine Spielpassung im Sinne dieses Dokuments.
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Im nachfolgenden Schritt S4 wird die Welle A mit dem Koppelelement K in den ersten Hohlzylinder H1 eingebracht, so dass das Koppelelement K in einem mittleren Abschnitt M des ersten Hohlzylinders H1 angeordnet ist. Bevorzugt erfolgt dies, bevor der erste Hohlzylinder komplett vernetzt und damit ausgehärtet ist.
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Hierauf wird in einem Schritt S5 Faserwerkstoff und Matrixwerkstoff so auf den ersten Hohlzylinder H1 aufgebracht, dass ein den ersten Hohlzylinder H1 koaxial umgebender zweiter Hohlzylinder H2 aus faserverstärktem Kunststoff mit einem kreuzlagendominierten Wickelaufbau gebildet wird.
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Anschließend wird der zweite Hohlzylinder H2 zusammen mit dem erste Hohlzylinder H1 in Schritt S6 ausgehärtet. Der kreuzlagendominierte Wickelaufbau des äußeren Hohlzylinders H2 bewirkt beim Aushärten ein geringfügiges Schrumpfen des äußeren Hohlzylinders H2, so dass eine dauerhafte Presspassung und damit drehfeste Verbindung zwischen dem ersten Hohlzylinder H1 und dem Koppelelement K bewirkt wird.
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In einem hieran anschließenden Schritt S7 wird in den in Radialrichtung zwischen der Welle A und der Innenseite des inneren Hohlzylinders H1 bestehenden Abstand S beidseits des Koppelelements K ein Werkstoff mit geringerer Härte als der des Koppelelements K eingebracht, der Dämpfungselemente bildet. Diese Dämpfungselemente sind dann unmittelbar benachbart zum Koppelelement beidseits des Koppelelements angeordnet und erstrecken sich in radialer Richtung über den vollen Zwischenraum zwischen der Welle A und der Innenseite des inneren Hohlzylinders H1. Beispielsweise kann das Einbringen des die Dämpfungselemente bildenden Werkstoffes durch Eingießen erfolgen. Dieser Schritt ist jedoch nur fakultativ.
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In 4A ist ein Beispiel einer Kreuzlage einer Walze gezeigt. Wie ersichtlich, schließt der Faserwerkstoff FA mit der Längsrichtung der Walze einen Winkel von zwischen 5° und 85° ein.
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In 4B ist ein Beispiel einer Umfangslage einer Walze gezeigt. Bei der Umfangslage schließt der Faserwerkstoff FA mit der Längsrichtung der Walze einen Winkel von mehr als 85° bis 90° ein.
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In 4C ist ein Beispiel einer Axiallage einer Walze gezeigt. Bei der Axiallage schließt der Faserwerkstoff mit der Längsrichtung der Walze einen Winkel von weniger als 5° ein.
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Der den Faserwerkstoff FA umgebende Matrixwerkstoff ist in den 4A bis 4C nicht gezeigt.
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In den 5A–5D sind verschiedene Querschnittsansichten durch beispielhafte Hohlzylinder mit kreuzlagendominiertem Wicklungsaufbau gezeigt. Der Schnitt verläuft dabei in Längsrichtung der Hohlzylinder. Dabei sind Kreuzlagen mit dem Bezugszeichen KL und Umfangslagen mit dem Bezugszeichen UL bezeichnet. Ersichtlich macht die Summe der Dicken der Kreuzlagen in allen Beispielen wenigstens 70% der Gesamtdicke (im Sinne von Wandstärke) des Hohlzylinders aus. Dabei ist in 5A–5D jeweils nur ein Querschnitt durch eine Wand des Hohlzylinders gezeigt.
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Es wird betont, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen nur beispielhaft sind und nicht den Schutzbereich der Ansprüche beschränken sollen. Dies betrifft insbesondere die für die Welle, das Koppelement und den Hohlzylinder angegebenen Werkstoffe. Auch die Längen- und Breitenverhältnisse der gezeigten Walzen sind zur besseren Darstellbarkeit nicht maßstabsgetreu gewählt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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