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Die vorliegende Erfindung betrifft ein mechanisches Verbindungselement, insbesondere für die drehfeste Verbindung rotierender Elemente, eine Verdichterradverbindung sowie ein Verfahren zur mechanischen Verbindung, insbesondere für rotierende Elemente.
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Die drehfeste Verbindung von insbesondere rotationssymmetrischen Elementen ist eine seit langem bekannte und sehr häufig eingesetzte Verbindung von Maschinenelementen. Sie taucht in der Praxis als Welle-Nabe-Verbindung beispielsweise in Form von Passfederverbindung, Keilwellenverbindung oder Kegelsitzverbindung auf. Dabei weist jede der genannten Verbindungsarten besondere Eigenheiten, Vor- und Nachteile auf.
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Eine Passfederverbindung benötigt, ebenso wie eine Keilwellenverbindung, einen längs zur Welle ausreichend langen Sitz oder alternativ eine Passung. Das übertragbare Drehmoment wird durch die Scherspannung begrenzt, die die Passfeder beziehungsweise vor allem deren Sitz in der Welle höchstens ertragen. Für die Montage sind spezielle Werkzeuge erforderlich, die ein Zusammenfügen der Passung ermöglichen. Gleiches gilt für die Demontage.
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Eine Kegelsitzverbindung ermöglicht eine einfache Montage, bedarf jedoch einer zusätzlichen Sicherung, damit es nicht zum Festfressen, insbesondere bei einer Überlastung der Verbindung durch zu hohes Drehmoment, kommt. Weiterhin ist die Demontage nur mit Spezialwerkzeugen möglich.
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Die Funktion einer Kegelsitzverbindung beruht auf der Selbsthemmung, die durch einen spitzen Kegelwinkel hervorgerufen wird. Selbsthemmung beschreibt in der Mechanik den durch Reibung verursachten Widerstand gegen ein Verrutschen oder ein Verdrehen zweier aneinander liegender Körper. Sobald die Haftreibung überschritten ist, sind die Körper nicht mehr selbsthemmend, weswegen es für diesen Fall bei der Kegelsitzverbindung einer Verdrehsicherung bedarf.
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Die Selbsthemmung wird durch den Neigungswinkel, die Oberflächenrauigkeit der Auflageflächen, der Werkstoffpaarung, der Gleitgeschwindigkeit, durch den Schmierstoff und die Erwärmung beeinflusst. Um Selbsthemmung zu erreichen, wird der resultierende Winkel kleiner als der Arcustangens der Haftreibungszahl ausgeführt. Keile und Kegel müssen einen kleineren Winkel als der Arcustangens der Haftreibungszahl zwischen Keil und zu verkeilendem Werkstück aufweisen, um die nötige Spannkraft und damit Selbsthemmung zu erreichen.
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Nach dem Stand der Technik ebenfalls bekannt sind Drahtgewinde. Es handelt sich dabei um einen frei tragenden Gewindegang, der seinerseits in ein größeres Innengewinde eingebracht wird und dann als Gegenstück für ein einzuschraubendes Außengewinde dient. Der Einsatz von Drahtgewinde erfolgt insbesondere bei der Reparatur von großen Gehäusen, bei denen das Innengewinde zerstört ist. Eine Reparatur erfolgt in der Weise, dass das defekte Gewinde aufgebohrt, ein größeres Gewinde hineingeschnitten und in dieses das Drahtgewinde eingebracht wird. In Einzelfällen wird auch der Einsatz eines Drahtgewindes von Anfang an vorgesehen, insbesondere um bei Innengewinden in weichen Gehäusen die Tragfähigkeit des Gewindes zu verbessern.
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Auch andere Bereiche der Technik nutzen die Vorteile eines Drahtgewindes. Beispielsweise beschreibt die
DE 850 512 , dass es bei der Verbindung von Rohren oder Stäben mit Platten üblich ist, in die aus Holz bestehende Platte ein Drahtgewinde einzuwalzen.
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Auch die
DE 1 027 938 schlägt einen Drahtspulen-Gewindeeinsatz vor, der in neuen, insbesondere gegossenen Produkten zum Einsatz kommt. Hierbei werden besondere Vorkehrungen getroffen, um einen festen Halt der Drahtspulen zu gewährleisten. Das geschieht vor allem durch ein Aufeinanderpressen der Windungen oder durch eine besondere Geometrie des Drahtquerschnitts.
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In der
DE 260 3996 C2 ist der Einsatz eines Drahtgewindes zur Verbesserung der Kraftverteilung bei einer Schraube-Innengewinde-Paarung beschrieben.
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In allen Fällen ist der Einsatz eines Drahtgewindes bzw. eines Drahtgewindeeinsatzes nur für statische Anwendungen und insbesondere nur für die Befestigung von ruhenden Elementen vorgesehen.
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In der
DE 260 3996 C2 ist gleichfalls der Einsatz eines Polygons an einem Schraubenkopf in Verbindung mit einem passenden Schraubenschlüssel dargestellt. Dabei handelt es sich auch – im Gegensatz zu den nachfolgend dargestellten Anwendungsfällen für ein Polygon – um eine Spielpassung. Allerdings sieht dieser Einsatzfall eine sehr hohe Exzentrizität vor, durch die ein Formschluss, aber keine Selbsthemmung eintritt. Keine Selbsthemmung wäre in übrigen an dieser Stelle nachteilig, da sich dann der Schraubenschlüssel nicht mehr leicht von der Mutter lösen ließe.
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Die Schrift
DE 196 48 996 A1 offenbart eine Polygonverbindung einer Nabe mit einer Welle. Die Bohrung der Nabe und die Außenkontur der Welle weisen spielfrei ineinander passende polygonale Querschnitte auf. Um einen spielfreien Presssitz zu erzielen, sind die Querschnitte von Nabe und Welle leicht konisch, was zum Effekt einer Selbsthemmung in Achsrichtung führt. Damit handelt es sich praktisch um die Verbindung der Funktionsweisen eines Kegelsitzes mit dem einer Polygonverbindung. Damit ist eine Demontage der Verbindung nur mittels Spezialwerkzeug möglich. Weiterhin ist eine Längsverschiebung der Nabe auf der Welle nicht möglich, sondern der Sitz exakt festgelegt und durch das Maß des Kegels beziehungsweise der konisch gearbeiteten Flächen vorgegeben. Die Möglichkeit einer Justierung oder einer kraftschlüssigen Verbindung mit anderen Elementen besteht damit nicht. Weiter Polygonverbindungen offenbaren die
US 5 901 629 A , die
US 5 174 704 A , die
US 4 106 311 A sowie die
JP H08-226 451 A .
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Zudem nennt der Stand der Technik weitere kegelförmige Polygonverbindungen. Diese haben zwar, gegenüber der zylindrischen Kegelverbindung, den Vorteil einer recht guten Wiederholbarkeit der korrekten radialen Winkellage der miteinander zu verbindenden Teile. Allerdings ist die Demontage durch den festsitzenden Kegel erschwert und vor allem ist kein axialer Spielraum mehr gegeben, da auch die axiale Lage genau festgelegt ist und es beispielsweise bei der axialen Verbindung mit anderen Elementen zu einer statischen Überbestimmung der Verbindung kommen kann. Beispielsweise würde von einer Verschraubung am Kopf einer Welle-Nabe-Verbindung die Spannung nicht bis zum Wellensitz weitergegeben, sondern sich im Kegelsitz aufbauen.
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Nach dem Stand der Technik sind weiterhin zahlreiche Möglichkeiten der Verbindung eines Verdichterrades mit einer Welle vorgesehen. Dabei kommen in der praktischen Ausgestaltung alle typischen Welle-Nabe-Verbindungen zur Anwendung. Dazu ist es jedoch erforderlich, dass das Verdichterrad, das die Nabe aufweist, eine Durchgangsbohrung enthält, durch die eine ausreichend genaue axiale Führung und ein sicherer Sitz des Verdichterrades auf der Welle gewährleistet ist.
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Der Nachteil dieser Ausführungsform besteht jedoch darin, das bei hohen Drehzahlen des Verdichterrades, insbesondere wenn dieses zudem hohen Temperaturen ausgesetzt ist, die Festigkeit eines Verdichterrades mit Bohrung nicht mehr ausreichend ist und auf eine Durchgangsbohrung verzichtet werden muss.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Verbindung einer durchgangslosen Nabe, insbesondere eines Verdichterrads, mit einer Welle sicher, leicht montierbar und mit guter Lage- und Wuchtwiederholbarkeit anzubieten. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, ein mechanisches Verbindungselement und ein Verfahren zur mechanischen Verbindung insbesondere für die drehfeste, gesicherte Verbindung rotierende Elemente anzubieten, dass eine gute Lage- und Wuchtwiederholbarkeit und eine einfache Montage beziehungsweise Demontage ermöglicht. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verwendung für einen Drahtgewindeeinsatz, anzubieten.
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Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch ein mechanisches Verbindungselement, insbesondere für die drehfeste Verbindung rotierender Elemente, wobei wenigstens eine selbstzentrierend und selbsthemmend ausgebildete Spielpassung zwischen wenigstens einer inneren polygonalen Kontur eines Elements und wenigstens einer äußeren polygonalen Kontur eines anderen Elements vorgesehen ist.
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Sowohl die Außenkontur als auch die Innenkontur weisen einen konstanten Querschnitt auf. Dadurch sind sie gegeneinander verschiebbar, ortsveränderlich und können an jeder beliebigen Stelle einander gegenüber fixiert werden. Die Fixierung erfolgt dabei durch Verdrehen des Elements der Außenkontur gegenüber dem Element der Innenkontur, wodurch es zunächst zu einer Zentrierung kommt und die Innenkontur gegenüber der Außenkontur in ihren Mittellinien übereinstimmen. In der bevorzugten Ausführungsform korrespondiert die Innenkontur mit der Außenkontur. Besonders bevorzugt ist eine polygonale Kontur mit so niedriger Exzentrizität, dass es im Anschluss an das Zentrieren beim weiteren Verdrehen der Innenkontur gegenüber der Außenkontur zu einer Selbsthemmung kommt. Wegen der geringen Exzentrizität des Polygons berühren Innenkontur und Außenkontur einander in einem sehr flachen Winkel, ähnlich wie Innenkegel und Außenkegel eines Kegelsitzes. Hierbei erfolgt jedoch die Hemmung bei einer Bewegung in Axialrichtung. Demgegenüber sind jedoch bei der vorliegenden Erfindung Innenkontur und Außenkontur in axialer Richtung gegeneinander frei verschiebbar. Die Selbsthemmung tritt erst bei einer kurzhubigen radialen Bewegung, einer geringfügigen Verdrehung, ein. Vorteilhaft ist hier insbesondere die große Flexibilität hinsichtlich der axialen Lage von Außenkontur und Innenkontur gegeneinander. Dadurch wird eine hohe Rundlaufgenauigkeit gesichert, die ebenso wie die Lage- und Wuchtwiederholbarkeit, unabhängig von Drehzahl und Temperatur ist.
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Weiterhin ist die leichte Montierbarkeit von Vorteil, denn Innenkontur und Außenkontur können einfach von Hand ineinander geschoben werden, da es sich um eine Spielpassung handelt. Ebenfalls von Hand kann die Verdrehung erfolgen, die ohne großen Kraftaufwand zu Selbsthemmung führt. Auch die Demontage ist sehr einfach, da es zumindest zwei Möglichkeiten gibt, die selbsthemmende Verbindung voneinander zu lösen. Die eine Möglichkeit besteht darin, eine radiale Rückbewegung durchzuführen. Die andere Möglichkeit besteht in einem axialen Kraftansatz, beispielsweise mittels eines Abziehers, wodurch die Elemente aus ihrer selbsthemmenden Lage zurück in die Spiellage springen und wieder voneinander gelöst sind.
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Montage und Demontage erfolgen, auch nach langer Betriebszeit, schmierungsunabhängig. Dieses resultiert daraus, dass in entspannter Position eine relative Spielpassung vorliegt. Weiterhin liegt in der Verbindung begrenzte Flächenpressung in der Endlage vor, wodurch es zu keinem Festfressen kommt, weil eine weitere Drehung durch die polygonale Querschnittsform, die eine solche Materialschädigung hervorrufen würde, nicht erfolgen kann.
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Besondere Vorzüge resultieren daraus, dass wenigstens ein gewindetes Sicherungselement zwischen einem Innengewinde und einem Außengewinde angeordnet und so ausgeführt ist, dass eine axiale Spannung in den das Innengewinde und das Außengewinde aufweisenden Elementen hervorgerufen wird. Die axiale Spannung führt zu einer besonders sicheren mechanischen Verbindung, die in der bevorzugten Ausführungsform eine Welle-Nabe-Verbindung ist. In der bevorzugten Ausführungsform sind die zu sichernden Elemente auf einem Wellenzapfen angeordnet. Das eine Ende des Wellenzapfens ist als Außengewinde ausgeführt, das andere Ende bildet einen stirnseitigen Sitz, durch einen Durchmessersprung hervorgerufen. Durch das Außengewinde wird im Zusammenwirken mit einem zugehörigen Innengewinde die axiale Spannung hervorgerufen, in die zu verbindenden Elemente eingeleitet und durch den Sitz am Ende des Wellenzapfens in die Welle eingeleitet.
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Außengewinde und Innengewinde stehen nicht miteinander in unmittelbarem Eingriff. Zwischen beiden Gewinden ist als neutrales Verbindungselement das gewindete Sicherungselement angeordnet. Dieses sorgt für einen hohen Kraftschluss, insbesondere durch Sicherung des Eingriffs von einer größtmöglichen Anzahl von Windungen des Innengewindes bzw. des Außengewindes in den Kraftschluss. Weiterhin kommt es zu einer Beeinflussung der Reibwerte in der Verbindung, die auf die besondere Materialpaarung zwischen Innengewinde, gewindetem Sicherungselement und Außengewinde zurückzuführen sind und wiederum zu einer Verbesserung der Festigkeit, des Kraftschlusses und der Sicherheit der mechanischen Verbindung gegen ein unbeabsichtigtes Lösen führt.
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Ein weiterer besonderer Vorteil hat sich beim Einsatz des gewindeten Sicherungselements darin gezeigt, dass ansonsten kritische Werkstoffpaarungen problemlos miteinander kombiniert werden können, ohne dass die Gefahr einer Kontaktkorrosion besteht. Das gewindete Element führt zu einer Trennung der kritischen Materialien voneinander, so dass diese nicht mehr miteinander in direkte Berührung kommen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird eine Nabe aus einer Aluminiumlegierung mit einer Stahlwelle verbunden und die Verbindung dynamisch beansprucht.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen mechanischen Verbindungselements ist wenigstens eine zwischen dem Element mit der wenigstens einen polygonalen Innenkontur und einem zum Element mit der wenigstens einen polygonalen Außenkontur benachbarten Wellensitz angeordnete Distanzscheibe vorgesehen. Die Distanzscheibe stellt eines der Elemente dar, die beim Einleiten einer axialen Spannung in den Bereich der mechanischen Verbindung gegen Verdrehen gesichert werden. Sie stützt sich unmittelbar gegen den Wellensitz ab. In der bevorzugten Ausführungsform, nimmt sie auf der dem Wellensitz gegenüberliegenden Seite eine Nabe auf und sichert deren Rundlauf gegenüber der Wellenachse.
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Von besonderen Vorteil ist es weiterhin, wenn die Distanzscheibe ein Federelement aufweist. Das Federelement trägt ebenfalls zum Rundlauf der Nabe bei, indem diese mit ihrem Außendurchmesser mit einer in der bevorzugten Ausführungsform leichten Presspassung in das Federelement eingesetzt ist. In der besonderen bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement rotationssymmetrisch als zylindrische Wulst im Außenbereich der Distanzscheibe ausgebildet. Andere Ausführungsformen des Federelements sind vorgesehen, beispielsweise kann dieses aus einzelnen, im Bereich des Außendurchmessers der Distanzscheibe angeordneten Federelementen bestehen. Durch die Elastizität des Federelements wird die Passung zwischen dem Federelement und der Nabe auch bei einer auftretenden Dimensionsänderung auf ein Höchstmaß begrenzt. Eine solche Dimensionsänderung entsteht beispielsweise bei einer Erwärmung und einer darauf fußenden Ausdehnung der Nabe. Durch die Kraftwirkung, die infolge der Ausdehnung der umfassten Nabe auf das Federelement einwirkt, dehnt sich dieses mit aus und stellt der Ausdehnung der Nabe keinen starren Widerstand entgegen. Es reagiert elastisch. Damit werden Materialschäden durch zu hohe Druckspannungen in der Nabe verhindert.
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In der besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich um eine Nabe aus einer Aluminiumlegierung, die einerseits eine starke Wärmeausdehnung aufweist und andererseits nur eine geringere Druckspannung als beispielsweise Stahl oder eine Stahllegierung aushält.
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Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die polygonalen Konturen der wenigstens einen selbstzentrierend und selbsthemmend ausgebildeten Spielpassung eine Exzentrizität zwischen 0,5 und 3 % des Nenndurchmessers, bevorzugt zwischen 1,3 und 2,5 % des Nenndurchmessers auf und die polygonale Kontur ist als Dreieck ausgebildet. Andere Polygone sind vorgesehen, wie beispielsweise ein fünfeckiges Polygon. Weiterhin vorgesehen sind unregelmäßige polygonale Konturen, die Kontaktwinkel aufweisen, die je nach Drehrichtung eine unterschiedliche Wirkung beim Anziehen und beim Lösen der Verbindung hervorrufen.
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Es hat sich überraschend gezeigt, dass eine polygonale Kontur, die eine Exzentrizität aufweist, die deutlich unter der nach dem Stand der Technik eingesetzten Polygonverbindungen mit einer üblichen Exzentrizität von 3,1 bis 4,5 Prozent (Verhältnis von Exzentrizität zu Nenndurchmesser in Prozent) liegt, zu radialer Selbsthemmung neigt. Während der Stand der Technik die Polygonverbindung ausschließlich als Verdrehsicherung einsetzt, gegebenenfalls noch den zentrierenden Effekt nutzt, und deshalb für die Verbindung eine Passung gewählt werden muss, die einen festen Sitz gewährleistet, zum Beispiel eine Presspassung, wird erfindungsgemäß ein völlig anderer, unkonventioneller Weg eingeschlagen und eine Spielpassung vorgeschlagen. Die Spielpassung ermöglicht eine besonders einfache Montage, gewährt aber darüber hinaus dennoch, wie sich überraschend zeigte, alle Vorteile, die aus einer Polygonverbindung, wie sie der Stand der Technik kennt, resultieren. Dazu gehört insbesondere die Verdrehsicherheit.
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Es hat sich ebenfalls gezeigt, dass es besonders günstig ist, ein dreieckiges Polygon für die polygonale Kontur der erfindungsgemäßen mechanischen Verbindung einzusetzen. Der besondere Vorzug liegt hierbei darin, dass es nur drei Möglichkeiten gibt, die Verbindung zusamenzusetzen. Daher reicht eine einfache Markierung aus, die sichert, dass die richtige von den drei möglichen Varianten der Montage zur Anwendung kommt und die Verbindung ordnungsgemäß zusammengesetzt wird. Im Zusammenhang mit dem Effekt der Selbstzentrierung und dem gleichzeitigen Eintritt der Selbsthemmung an einen diskreten, exakt wiederholbaren Punkt der Verdrehung der beiden zu verbindenden Elemente gegeneinander, ist eine ausgezeichnete Montagewiederholbarkeit gewährleistet. Daraus resultiert eine überaus hohe Laufgenauigkeit, die trotz vorliegender Spielpassung immer wieder erreicht wird und im übrigen weitgehend passungsunabhängig ist. Weiterhin ergibt sich hieraus eine gute Wuchtwiederholbarkeit, so dass ein erneutes Auswuchten nach der Montage der zuvor demontierten Verbindung nicht erforderlich ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform weisen die polygonalen Konturen wenigstens eine selbstzentrierend und selbsthemmend ausgebildete Spielpassung auf. Diese Passung ist leichtgängig und von Hand gut verschiebbar, woraus sich Erleichterungen bei der Montage und Demontage ergeben. Weiterhin ist eine solche Passung auch gegen Verschmutzung unempfindlich, woraus eine hohe Funktionssicherheit unter einem breiten Spektrum von Umgebungs- und Einsatzbedingungen für die erfindungsgemäße mechanische Verbindung resultiert.
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Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch eine Verdichterradverbindung zwischen einem Verdichterrad und einer Nabe, wobei wenigstens eine selbstzentrierend und selbsthemmend ausgebildete Spielpassung zwischen wenigstens einer äußeren polygonalen Kontur auf wenigstens einem Abschnitt einer Welle und wenigstens einer inneren polygonalen Kontur in einer Distanzscheibe vorgesehen ist, wenigstens ein gewindetes Sicherungselement zwischen einem Außengewinde auf einem Wellenende und einem Innengewinde in einer durchgangslosen Verdichterradnabe angeordnet ist, und das gewindete Sicherungselement so angeordnet ist, dass es eine axiale Spannung hervorruft, die vom Verdichterrad auf wenigstens eine Distanzscheibe und weiter auf einen Wellensitz übertragen wird, und die wenigstens eine Distanzscheibe die wenigstens eine polygonale, mit dem wenigstens einen Abschnitt der Welle mit der wenigstens einen polygonalen Außenkontur in Eingriff stehende Innenkontur aufweist und die Distanzscheibe ein Federelement aufweist. Aus der Kombination der polygonalen Kontur, der Distanzscheibe mit Federelement und dem gewindeten Sicherungselement resultiert eine besonders sichere, einfach zu demontierende und mit hoher Rundlaufgenauigkeit erneut montierbare mechanische Verbindung. In der besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Verdichterrad aus einer Aluminiumlegierung, die so hoch belastet ist, dass sie keine durchgehende Nabenbohrung erhalten kann. Deshalb erfolgt die Verbindung mit der Verdichterwelle über eine durchgangslose Verdichterradnabe. Das in das Sackloch der durchgangslosen Verdichterradnabe eingebrachte Gewinde ist mit dem gewindeten Sicherungselement versehen. Über dieses erfolgt die Verschraubung mit dem Außengewinde des Wellenendes. Zum Anziehen der Verschraubung erfolgt ein Verdrehen des Verdichterrades, wobei ein Festfressen oder Kontaktkorrosion zwischen dem Außengewinde auf der Welle und dem Innengewinde im Sackloch der Verdichterradnabe durch das dazwischen angeordnete gewindete Sicherungselement verhindert werden.
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Beim Anziehen der Schraubverbindung gleitet das Verdichterrad in das in der bevorzugten und Ausführungsform rotationssymmetrisch ausgeführte und eine Wulst in der Nähe des Außendurchmessers der Distanzscheibe ausbildende Federelement ein, bis es an der Distanzscheibe anliegt, und wird von diesem, das Verdichterrad zentrierend, gehalten. Mit der kraftschlüssigen Verbindung zwischen Verdichterrad und Distanzscheibe, die in der bevorzugten Ausführungsform voll flächig aneinander anliegen, ist ein Rundlauf zwischen Distanzscheibe und Verdichterrad gewährleistet, wobei eine thermisch bedingte Ausdehnung des Verdichterrades keine schädigende Druckspannung im Verdichterrad hervorruft, da das Federelement entsprechend der vom Verdichterrad ausgehenden Druckwirkung nachgibt.
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Die Distanzscheibe weist in der Mitte eine polygonale Innenkontur auf, die in der bevorzugten Ausführungsform als dreieckige, polygonalen Kontur mit geringer Exzentrizität, die weniger als 3 % des Nenndurchmessers beträgt, ausgeführt ist. Dadurch kann eine besonders einfache Montage erfolgen, indem zunächst, noch bevor die Verschraubung des Verdichterrades angezogen wird, die Distanzscheibe auf das Wellenende aufgeschoben wird. Das Wellenende weist in der bevorzugten Ausführungsform in dem Bereich, in dem die Distanzscheibe auf diesem aufsitzt, eine polygonale Außenkontur auf. Besonders vorteilhaft ist es, wenn diese polygonale Außenkontur mit der polygonalen Innenkontur der Distanzscheibe korrespondiert. Die korrespondierenden polygonalen Konturen bilden miteinander eine Spielpassung, was in ganz besonders vorteilhafter Art und Weise die einfache Montage sowie auch die erleichterte Demontage ermöglicht.
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Erst mit dem Anzug der Verschraubung des Verdichterrades, wodurch ein Drehmoment in die Baugruppe eingetragen wird, kommt es zu einer geringfügigen Verdrehung der bereits an dem Wellensitz anliegenden Distanzscheibe gegenüber der Verdichterwelle. Dadurch erfolgt die Zentrierung der polygonalen Konturen zueinander sowie gleichzeitig deren Selbsthemmung. Damit ist das Verdichterrad an seiner vom Wellenende wegweisenden Seite gegenüber der Wellenachse zentriert, gegen Verdrehung und zugleich gegen axiale Verschiebung gesichert.
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Die Aufgabe der Erfindung wird weiterhin gelöst durch die Verwendung eines Drahtgewindeeinsatzes als materialtrennendes Verbindungselement, wobei der Drahtgewindeeinsatz, insbesondere als gewindetes Sicherungselement ausgebildet, eine Welle mit einer Nabe verbindet und konzentrisch zwischen Welle und Nabe angeordnet ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass bei rotierender, dynamischer Lasteinleitung in eine durch den Drahtgewindeeinsatz gesicherte Verbindung ein Kraftschluss zwischen den zu verbindenden Elementen erhöht und zugleich eine Kontaktkorrosion vermieden werden. Es hat sich überraschend gezeigt, dass ein Drahtgewindeeinsatz auch in einer dynamisch belasteten Verbindung einsetzbar ist. Dadurch wurde die Beschränkung der Anwendung des Drahtgewindeeinsatzes, der an sich seit langem bekannt ist und eine umfassende Verwendung im Bereich der Instandhaltung, insbesondere bei der Reparatur von Kraftfahrzeugantrieben, aber auch bei der statischen Verschraubung von Materialien mit niedriger zulässiger Scherspannung, aufgehoben und ein ganz neues Anwendungsgebiet vorgeschlagen.
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Eine weitere erfindungsgemäße Lösung betrifft ein Verfahren zur mechanischen Verbindung, insbesondere für rotierende Elemente, bei dem wenigstens eine äußere polygonale Kontur einer Welle und wenigstens eine innere polygonale Kontur einer Nabe spielend ineinandergefügt werden und durch geringfügige, minimale Drehung von Welle und Nabe um wenige Grad gegeneinander sich selbst zentrieren und zugleich gegen Verdrehen selbst hemmen.
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Eine Spielpassung zwischen Innenkontur und Außenkontur sichert eine besonders leichte und einfache Montage. Die polygonale Kontur ermöglicht ein exaktes und wiederholbares Montieren in der richtigen Position, nachdem nur die eine Möglichkeit, bei einer dreieckigen Kontur eine von drei Möglichkeiten, markiert wurde. Dadurch wird der Montagevorgang, insbesondere bei einer Reparatur, bedeutend vereinfacht.
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Während eine formschlüssige Verbindung, auch mit einem Zentriereffekt, aus dem Stand der Technik von Welle-Nabe-Verbindungen bekannt ist, resultieren aus der Erfindung besondere und bislang nicht genutzte Vorteile einer polygonalen Kontur. Die Steigung innerhalb der Polygonkontur ist so gewählt, dass es bei einer Verdrehung der in Achsrichtung parallel ausgeführte, nicht kegelförmigen Kontur unmittelbar nach der Zentrierung zu einer Hemmung kommt. Insbesondere wird dazu eine geringe Exzentrizität bei der polygonalen Kontur, das heißt ein kleiner Unterschied zwischen Innen- und Außenkreis, gewählt. Durch diese Hemmung ist ein weiteres Drehen über die Hemmschwelle hinaus nicht möglich. Auch bei einer Überlastung erfolgt somit keine Beschädigung der Oberflächen, beispielsweise durch ein Festfressen, wie es beispielsweise bei einer zylindrischen oder kegelförmigen Passung in einer Welle-Nabe-Verbindung der Fall wäre, weil sich erfindungsgemäß die Verbindungspartner nicht gegeneinander verdrehen können und insgesamt nur eine minimale Relativbewegung der gepressten Flächen auftritt.
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Als vorteilhaft hat es sich weiterhin erwiesen, wenn ein gewindetes Sicherungselement einen Kraftschluss zwischen den zu sichernden Elementen erhöht und eine Kontaktkorrosion zwischen den Materialien eines Innengewindes und eines Außengewindes von Nabe bzw. Welle vermeidet. Dadurch erfolgt eine Verschraubung, ohne dass jedoch die Materialien der beiden verschraubten Verbindungspartner, hier der Welle und der Nabe, miteinander in Berührung kommen. Das ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Gefahr besteht, dass es zwischen den beiden Materialien zu einer Kontaktkorrosion kommen könnte. Vorteilhaft ist der Einsatz des gewindeten Sicherheitselements auch dann, wenn mindestens eine der Materialpaarungen eine geringe Materialfestigkeit aufweist und es demzufolge, insbesondere wenn nur wenige Windungen des Gewindes tatsächlich tragen, zum Zusammenbrechen des Materials und zum Ausreisen des Gewindes kommen könnte. Das gewindete Sicherheitselement schafft einen Spannungsausgleich und überträgt die Last auf eine größere Anzahl von Windungen, auf die sich dann die Gesamtlast verteilt und die Spannung in der einzelnen Windung vermindert.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung überträgt wenigstens eine Distanzscheibe axiale Kräfte vom Element mit der wenigstens einen polygonalen Innenkontur zu einem zum Element mit der wenigstens einen polygonalen Außenkontur benachbarten Wellensitz, und mittels eines Federelements wird das Element mit der wenigstens einen polygonalen Innenkontur zentriert und dabei bei einer thermisch bedingten Dimensionsänderung des Elements mit der wenigstens einen polygonalen Innenkontur eine entstehende kritische Druckspannung teilweise aufnimmt und abbaut. Die Distanzscheibe sichert den Rundlauf eines zum Wellenende hin an der Distanzscheibe anliegenden Elementes, indem sie den Rundlauf des Wellensitzes, der nur einen geringen Durchmesser aufweist, auf einen größeren Durchmesser überträgt.
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Besondere Vorteile erwachsen aus der Verbindung der Distanzscheibe mit dem Federelement. Das Federelement sorgt zunächst für die sichere Zentrierung und damit den achsparallelen Rundlauf des an die Distanzscheibe angelegten Elements. Das Element wird dazu an seinem Umfang von außen vom Federelement umfasst. Durch ein solches Umfassen kann es, insbesondere bei Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizenten, zu Spannungen kommen, insbesondere bei der Ausdehnung des umfassten Elements infolge einer Erwärmung. Das Federelement ist jedoch vorteilhafter Weise so gestaltet, dass es sich bei einer hohen Spannung dehnt, so dass in dem an der Verbindung beteiligten, umfassten Element keine Überschreitung einer zulässigen Druck- oder Zugspannung auftreten kann. Somit sichert das Federelement die Zentrierung eines darin eingesetzten Elementes bei gleichzeitigem Schutz vor der Überschreitung zulässiger Spannungskennwerte.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1 schematisch eine teils zur Achse längsgeschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungselements;
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2 schematisch eine zur Achse quergeschnittene Detailansicht eines Ausschnitts aus einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Polygonverbindung;
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3 schematisch eine zur Achse quergeschnittene Detailansicht eines Ausschnitts aus einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gewindeten Sicherungselements;
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4 schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gewindeten Sicherungselements und
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5 schematisch eine Vorderansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wellenabschnitts mit Polygonkontur.
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1 zeigt schematisch eine teils zur Achse längsgeschnittene Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verbindungselements 2, eingesetzt in einer Verdichterradverbindung 1.
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Die Welle 3 weist dabei einen Wellensitz 4 auf, wo diese in das Wellenende 20 übergeht und an dessen Stirnflächen die Distanzscheibe 5 plan anliegt. Das Wellenende 20 weist in dem dem Wellensitz 4 zugewandten Abschnitt eine äußere polygonale Kontur 9 und in dem vom Wellensitz 4 abgewandten Abschnitt ein Außengewinde 13 auf.
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Die äußere polygonale Kontur 9 bildet mit der inneren polygonalen Kontur 8 eine Spielpassung. Damit lässt sich besonders vorteilhaft eine einfache Montage realisieren, da beide Teile ohne Hilfsmittel leicht ineinander gefügt werden können. Weiterhin wird durch die Spielpassung gesichert, dass die Distanzscheibe 5 ohne axiale Hemmung sicher und eben an dem Wellensitz 4 anliegt. Bei einer Presspassung wäre dies nur mit entsprechenden Kräften und nach einer Überprüfung der Planlage gewährleistet. Die polygonale Struktur sichert darüber hinaus eine Wiederholbarkeit, da nur, beispielsweise bei einer dreieckigen polygonalen Struktur, eine von drei möglichen Stellungen markiert werden muss. Die exakte "Justierung" erfolgt beim Einwirken einer leichten Torsion auf die beiden polygonalen Strukturen, wodurch diese gegeneinander zentriert werden, wie nachfolgend 2 im Detail zeigt.
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Die polygonalen Strukturen sind weiterhin bevorzugt so beschaffen, dass sie, bedingt durch eine sehr geringe Exzentrizität, eine Selbsthemmung in tangentialer Richtung erreichen. Damit werden, insbesondere gegenüber bekannten selbsthemmenden Verbindungen, beispielsweise einer Kegelverbindung, bei der die Selbsthemmung in axialer Richtung wirkt, besondere Vorteile realisiert. Insbesondere kann es zu keiner weiteren Drehung bei Überlast kommen, und damit zu keinem „Fressen“ der berührenden und gegeneinander auf Torsion belasteten Elemente. Weiterhin ist aufgrund der nicht vorhandenen Gefahr des „Fressens“ keine Polygonflächenbeschichtung nötig. Somit sind unabhängig von der tatsächlich gewählten Passung, die allein aus Gründen der einfachen Montage bevorzugt als Spielpassung ausgeführt ist, eine optimale Krafteinleitung und ein optimaler Kraftfluss gewährleistet.
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Die die Planlage der Distanzscheibe 5 gegen den Wellensitz 4 erzeugende Druckspannung wird durch die Nabe 11 in das Verbindungselement 2 eingeleitet. Die Nabe 11 weist ein Innengewinde 12 auf, das jedoch nicht unmittelbar mit dem Außengewinde 13 des Wellenendes 20 in Verbindung steht. Diese Verbindung wird durch ein gewindetes Sicherungselement 14 realisiert. Das gewindete Sicherungselement 14 stellt ein frei tragendes Gewinde dar und ist beispielsweise als Drahtgewindeeinsatz ausgeführt. Beim Einsatz eines Drahtgewindeeinsatzes gewindetes Sicherheitselement 14 hat sich gezeigt, dass ein Drahtgewindeeinsatz zur Sicherung einer dynamischen Verbindung, insbesondere einer Wellenabeverbindung, im Gegensatz zu einem gängigen Vorurteil der Fachwelt sehr gut geeignet ist. Insbesondere wird durch den Einsatz des gewindeten Sicherungselements 14 die direkte Berührung zwischen dem Material der Nabe 14 und dem Material der Welle 3 vermieden, wodurch Kontaktkorrosion zwischen diesen Materialien ausgeschlossen ist. Gleichzeitig aber wird eine hohe Tragfähigkeit des Gewindes durch Belastung einer Vielzahl von Windungen gesichert. Ein solch günstiger Effekt zeigt sich beispielsweise bei der besonders bevorzugten Materialpaarung zwischen einer Nabe 14 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer Welle 3 aus Stahl. Durch Anzug des Innengewindes 12 der Nabe 11 auf dem Außengewinde 13 des Wellenendes 20 wird das Verbindungselement 2 axial verspannt.
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Zur verbesserten Zentrierung der Nabe 11 gegenüber der Welle 3 dient ein Federelement 10 der Distanzscheibe 5. Dieses umfasst die Nabe 11 an ihrem Außendurchmesser und ist seinerseits zentriert, da es Teil der Distanzscheibe 5 ist, die über die polygonalen Konturen 8, 9 mit der Welle 3 zentriert ist. Besonders vorteilhaft an diese Art und Weise der Zentrierung ist die besondere Gestaltung des Federelements 10 in der Weise, dass es sich bei Krafteinwirkung elastisch dehnt. Die ein bestimmtes Maß der Dehnung hervorrufende Belastung ist so bemessen, dass es in der Nabe 11 nicht zu Spannungen kommt, die über der zulässigen Druckspannung für das dort verwendete Material liegt. Damit ist die zentrierende Wirkung auch bei einer beispielsweise temperaturbedingten Ausdehnung der Nabe 11 weiterhin gewährleistet, ohne dass es zu einer Beschädigung oder einer Gefügeveränderung im Material der Nabe 11 kommen würde. Zieht sich die Nabe 11 bei niedrigen Temperaturen zusammen, ist jedoch immer noch eine ausreichend feste Klemmung zwischen Nabe 11 und Federelement 10 und damit eine sichere Zentrierung gewährleistet, da das Federelement 10 so bemessen ist. In der besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement 10 als kreisringförmiges, die Nabe 11 am Umfang komplett umschließendes Element ausgeführt. Alternative Ausgestaltungen sehen jedoch vor, das Federelement 10 zu segmentieren oder wenigstens einen Schlitz vorzusehen.
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Das erfindungsgemäße Verbindungselement 2 nach 1 ist als eine Verdichterradverbindung 1 ausgeführt und weist neben den vorgenannten Merkmalen des erfindungsgemäßen Verbindungselements 2 weiterhin ein Verdichterrad 15 mit Schlüsselflächen 16 zum Anzug der Nabe 11 auf. Nabe 11, Verdichterrad 15 und die Schlüsselflächen 16 sind nach der bevorzugten Ausführungsform einstückig ausgeführt und nach einer alternativen Ausgestaltung stoffschlüssig miteinander verbunden. In alternativen Ausführungsformen sind andere Möglichkeiten zum Anzug der Nabe vorgesehen, zum Beispiel ein Innensechskant im Verdichterrad 15.
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2 zeigt schematisch eine zur Achse quergeschnittene Detailansicht eines Ausschnitts aus einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Polygonverbindung 2. Hierbei werden die innere polygonale Kontur 8 der Distanzscheibe 5 im Eingriff mit der äußeren polygonalen Kontur 9 der Welle 3 an ihrem Wellenende 20 gezeigt. Zur Erkennbarkeit des Prinzips sind sowohl die Spielpassung 17 zwischen beiden Konturen, als auch die Exzentrizität der Konturen stark überhöht.
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Dargestellt ist der Eingriff beider Konturen, der inneren polygonalen Kontur 8 und der äußeren polygonalen Kontur 9, miteinander, bei dem sie gegeneinander zentriert sind und es bereits zur Selbsthemmung gekommen ist. Deutlich erkennbar wird, dass ein Weiterdrehen der ineinander angeordneten Elemente, der Welle 3 und der Distanzscheibe 5, gegeneinander nicht mehr möglich ist. Dadurch kann es nicht zu einem „Fressen“ kommen, wie dies beispielsweise bei üblichen Kegelsitzverbindungen, wie sie der Stand der Technik kennt, erfolgen kann.
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Zur Übertragung des Drehmoments kommt es jedoch auf diese formschlüssige Verbindung, wie sie bei üblichen Polygonverbindungen genutzt wird, nicht mehr an. Vielmehr liegt hier vordergründig eine Selbstzentrierung und Selbsthemmung vor. Da Selbsthemmung nur bei einem bestimmten Verhältnis der Reibwerte in der Materialpaarung und dem Winkel der Krafteinwirkung zum Tragen kommt, ist es zur Realisierung der erfindungsgemäßen Funktion einer Selbsthemmung innerhalb der polygonalen Struktur erforderlich, dass eine sehr geringe Exzentrizität der polygonalen Struktur realisiert wird. Diese liegt deutlich unter der Exzentrizität (siehe dazu 5), wie sie zum Einsatz kommt, wenn herkömmliche Wellen-Nabe-Verbindungen über Polygone realisiert werden. Besonders bevorzugt werden Exzentrizitäten zwischen 1,3 und 2,5 %. Angegeben ist dabei der Quotient aus Exzentrizität und Nenndurchmesser, angegeben in Prozent, um ein spezifisches Vergleichmaß für die Exzentrizität zu erhalten. Das bedeutet im vorliegenden Fall bei einem Nenndurchmesser von beispielsweise 20 mm eine Exzentrizität von 0,1 bis 0,5, bei einem Nenndurchmesser von 40 mm eine Exzentrizität von 0,2 bis 1,0 und Nenndurchmesser von 50 mm eine Exzentrizität von 0,25 bis 1,25. Andere Exzentrizitäten sind vorgesehen und hängen insbesondere von den verwendeten Materialpaarungen und deren Reibwerten ab.
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3 zeigt schematisch eine zur Achse quergeschnittene Detailansicht eines Ausschnitts aus einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gewindeten Sicherungselements 14 im Eingriff mit den verbundenen Gewinden 12, 13. In der Schnittdarstellung wird deutlich, dass das Außengewinde 13 der Welle 3 und das Innengewinde 12 der Nabe 11 keine unmittelbare Berührung miteinander im Bereich der Gewinde aufweisen.
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Die Verbindung wird stattdessen durch einen Gewindedraht 21 des gewindeten Sicherungselements 14 hergestellt. Der Gewindedraht 21 weist in der bevorzugten Ausführungsform einen trapezförmigen Querschnitt auf, besteht aus einzelnen, dicht aneinander liegenden Windungen in der Weise einer Drahtwicklung. Bedingt durch die Trapezform, die der das gewindete Sicherungselement 14 bildende Gewindedraht 21 in seinem Querschnitt aufweist, vermag sich das gewindete Sicherungselement 14 formschlüssig mit dem Innengewinde 12 und dem Außengewinde 13 zu verbinden. Über die Scherkraft, die von dem Innengewinde 12 und dem Außengewinde 13 in das gewindete Sicherungselements 14 eingetragen wird, erfolgt die gewindetypische kraftschlüssige Verbindung zwischen Außengewinde 13 und Innengewinde 12. Die Welle 3 ist damit ohne direkte Berührung kraftschlüssig mit der Nabe 11 verbunden.
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Aus dieser Verbindung resultiert die Sicherungswirkung des gewindeten Sicherungselements 14, wodurch ein unbeabsichtigtes Lösen des erfindungsgemäßen Verbindungselement 2 verhindert wird.
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4 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen gewindeten Sicherungselements 14, wofür ein Drahtgewindeeinsatz 18 zum Einsatz kommt. Dieser besteht aus eng zu einem zylindrischen Element gewickeltem Gewindedraht 21 mit trapezförmigem Querschnitt. Dabei erfolgt die Wicklung in der Weise, dass die einzelnen Windungen des Gewindedrahts 21 dicht aneinander liegen.
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5 zeigt schematisch eine Vorderansicht eines Abschnitts einer Ausführungsform einer Welle 3 mit äußerer polygonaler Kontur 9. Die Exzentrizität oder Exzentergröße der äußeren polygonalen Kontur 9 resultiert aus der Differenz zwischen dem Außenkreisdurchmesser D1 und dem Innenkreisdurchmesser D2 des Polygons auf der Welle 3, dividiert durch 4 und folgt der Formel: e = (D1 – D2)/4
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Die als Vergleichsgröße zwischen unterschiedlichen Nenndurchmessern im Rahmen der vorliegenden Beschreibung angegebene prozentuale Exzentrizität stellt den Quotienten zwischen Exzentrizität und Nenndurchmesser dar, in Prozent angegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdichterradverbindung
- 2
- Verbindungselement
- 3
- Welle
- 4
- Wellensitz
- 5
- Distanzscheibe
- 6
- Planfläche Distanzscheibe
- 7
- Planfläche Nabe
- 8
- innere polygonale Kontur
- 9
- äußere polygonale Kontur
- 10
- Federelement
- 11
- Nabe
- 12
- Innengewinde
- 13
- Außengewinde
- 14
- gewindetes Sicherungselement
- 15
- Verdichterrad
- 16
- Schlüsselflächen
- 17
- Spielpassung
- 18
- Drahtgewindeeinsatz
- 19
- Exzentrizität
- 20
- Wellenende
- 21
- Gewindedraht
- D
- Nenndurchmesser
- D1
- Außenkreisdurchmesser
- D2
- Innenkreisdurchmesser
