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Die Erfindung betrifft ein Verbindungssystem zum lösbaren Verbinden zweier Objekte.
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Die Verbindungstechnik ist eine Schlüsseltechnologie, die es ermöglicht, einzelne Bauteile zu Gesamtkonstruktionen zusammenzuführen. Hierfür existieren zahlreiche Lösungen aus dem Stand der Technik, die im Stande sind, den vielfältigen Bedarf unter verschiedensten Randbedingungen zu befriedigen.
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Bei der Auswahl eines geeigneten Verbindungselementes muss die Eigenschaft des Verbindungselementes in Bezug auf die Anforderung der Verbindung berücksichtigt werden. Hierbei ist neben der Festigkeit und Steifigkeit der Verbindung auch die Wiederverwendbarkeit, die Zugänglichkeit für die Montage oder die Demontage und schließlich auch der Kraftübertragungsmechanismus zu bedenken.
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Das Auflösen einer Verbindung bedeutet dabei eine Zustandsänderung, die Energie benötigt. Diese Energie wird bspw. in Form einer mechanischen Kraft mittels eines Werkzeuges übertragen, um so bspw. eine Schraubverbindung zu lösen. Beim Auflösen einer Verbindungsstelle findet demnach eine Zustandsveränderung statt, die eine kontrollierte Energiezufuhr benötigt. Befinden sich die Verbindungsstelle und die Verbindungselemente in einem abgeschlossenen System, muss die Energie gespeichert werden, die für die Zustandsänderung notwendig ist. Dies führt zu komplexen Konstruktionen, insbesondere weil die gespeicherte Energiemenge meist proportional zur Festigkeit des Verbindungselementes ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verbindungssystem anzugeben, das eine hohe Steifigkeit und Festigkeit aufweist und dennoch in einem geschlossenen System auflösbar ist. Es ist auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verbindungssystem zu schaffen, dass insbesondere spielfrei und kompakt hierbei ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verbindungssystem gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Demnach wird ein Verbindungssystem zum lösbaren Verbinden zweier Objekte vorgeschlagen, das ein erstes Verbindungselement und ein zweites Verbindungselement hat, die jeweils an einem der Objekte anordbar sind. Das erste Verbindungselement kann somit an dem ersten Objekt angeordnet werden, während das zweite Verbindungselement an dem zweiten Objekt angeordnet wird. Das erste und zweite Verbindungselement ist so ausgebildet, dass es mit dem jeweiligen Objekt fest verbunden werden kann, bspw. formschlüssig, kraftschlüssig und/oder stoffschlüssig. Denkbar ist auch, dass das Verbindungselement integral an dem ersten oder zweiten Objekt ausgebildet ist.
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Des Weiteren ist ein Verbindungsglied vorgesehen, das zum kraft- und/oder formschlüssigen Verbinden des ersten Verbindungselementes mit dem zweiten Verbindungselement ausgebildet ist, um eine Verbindung der Objekte über das erste und zweite Verbindungselement herzustellen. Das Verbindungsglied sowie das erste und zweite Verbindungselement sind somit derart ausgebildet, dass in einem verbundenen Zustand das Verbindungsglied mit dem ersten Verbindungselement und dem zweiten Verbindungselement in einer ersten Position form- und/oder kraftschlüssig im Eingriff steht, sodass eine feste kraft- und/oder formschlüssige Verbindung mittels des Verbindungsgliedes zwischen dem ersten Verbindungselement und dem zweiten Verbindungselement hergestellt ist.
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Erfindungsgemäß ist das Verbindungssystem nun derart ausgebildet, dass bei Temperierung des Verbindungssystems das Verbindungssystem von dem verbundenen Zustand in einen gelösten Zustand wechselt, bei dem das Verbindungsglied nicht mehr kraft- und/oder formschlüssig mit dem ersten Verbindungselement und dem zweiten Verbindungselement verbunden ist. Bei Temperierung des Verbindungssystems wird somit die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung, die im verbundenen Zustand zwischen dem Verbindungsglied und dem ersten und zweiten Verbindungselement besteht, aufgelöst, sodass zwischen dem Verbindungsglied und dem ersten und zweiten Verbindungselement keine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung mehr besteht.
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Unter einer Temperierung im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei eine Temperaturveränderung des Verbindungssystems gegenüber der Temperatur des verbundenen Zustands derart verstanden, dass das Verbindungssystem von dem verbundenen Zustand in den gelösten Zustand wechselt. Eine Temperierung kann dabei Temperaturerhöhung oder Temperaturabsenkung sein, je nach Auswahl der Materialien und Ausgestaltung des Verbindungselementes bzw. Verbindungsgliedes.
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Des Weiteren ist das Verbindungsglied im gelösten Zustand an dem ersten und/oder zweiten Verbindungselement derart verschieb- oder bewegbar gelagert, dass das Verbindungsglied von der ersten Position in mindestens eine zweite Position bringbar ist. Denn auch wenn im gelösten Zustand keine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung mehr zwischen dem Verbindungsglied und dem ersten und zweiten Verbindungselement in wenigstens einer Kraftübertragungsrichtung oder Kraftübertragungsebene besteht, so kann das Verbindungsglied immer noch lose mit den Verbindungselemente im Eingriff stehen. Daher ist das Verbindungsglied sowie die Verbindungselemente derart ausgebildet, dass im gelösten Zustand das Verbindungsglied verschieb- oder bewegbar gelagert ist, sodass es von der ersten Position in mindestens eine zweite Position verschoben oder bewegt werden kann, um so bspw. den gelösten und gelockerten Eingriff des Verbindungsgliedes mit einem der Verbindungselemente zu lösen.
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Vorteilhafter Weise ist das Verbindungsglied mit dem ersten und dem zweiten Verbindungselement im verbundenen Zustand kraftschlüssig verbunden, wobei im gelösten Zustand der Kraftschluss aufgelöst und das Verbindungsglied von der ersten Position in die zweite Position verschieb- oder bewegbar ist.
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Durch die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung des Verbindungsgliedes mit dem ersten und zweiten Verbindungselement kann eine kraftübertragende Verbindung mittels des Verbindungsgliedes in Richtung der verbundenen Objekte übertragen werden, während bei Auflösung der kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung eine derartige Kraft in Richtung der Objekte nicht mehr übertragbar ist. Steht das Verbindungsglied in dem gelösten Zustand noch in der ersten Position, so steht es noch mit den beiden Verbindungselementen lose im Eingriff, wobei diese Art der Verbindung durch das Verschieben oder Bewegen des Verbindungsgliedes von der ersten Position in die zweite Position auflösbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Position des Verbindungsgliedes eine Position, bei der das Verbindungsglied mit den beiden Verbindungselementen gleichzeitig im Eingriff steht. Die zweite Position des Verbindungsgliedes ist dabei eine gelöste Position, bei der das Verbindungsglied nicht mehr mit beiden Verbindungselementen gleichzeitig im Eingriff steht sondern aufgrund der verschieblichen bewegbaren Lagerung nur noch mit einem oder gar keinem der Verbindungselemente mehr im Eingriff steht.
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Mittels eines derartigen Verbindungssystems wird es möglich, eine hohe Steifigkeit und Festigkeit auf Biegung, Torsion, Zug und Druck zu erreichen, während die Verbindung dennoch auflösbar ist. Hierzu muss lediglich das Verbindungssystem temperiert werden, wodurch das Verbindungssystem von dem geschlossenen Zustand in den gelösten Zustand wechselt und so das Verbindungsglied in die zweite Position bringbar ist, um die Verbindung in Gänze zu lösen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Verbindungselemente ein Material auf, das ein von dem Material des Verbindungsgliedes verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat, insbesondere ein Material, das eine von dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der Verbindungselemente um Faktor 3 vorzugsweise mehr als Faktor 10, verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat. Hierdurch kann erreicht werden, dass das Verbindungsglied im verbundenen Zustand kraftschlüssig in Form einer Presspassung mit den Verbindungselementen verbunden ist, sodass entsprechende Kräfte mittels des Verbindungsgliedes übertragen werden können, während durch Temperierung des Verbindungssystems erreicht werden kann, dass aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten das Material sich zu dem Material der Verbindungselemente unterschiedlich ausdehnt und somit die kraftschlüssige Verbindung in eine nicht-kraftschlüssige Verbindung in Form einer Spielpassung übergeht.
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So ist es bspw. denkbar, dass die Verbindungselemente Aluminium enthalten oder daraus bestehen und dass das Verbindungsglied das Material Invar enthält oder aus diesem Material besteht. Bei Raumtemperatur würde dabei der verbundene Zustand bestehen, bei dem die Verbindungselemente eine kraftschlüssige Verbindung (Presspassung) haben. Durch Temperierung des Verbindungssystems würden sich dann die Verbindungselemente stärker ausdehnen als das Verbindungsglied, sodass die kraftschlüssige Verbindung aufgelöst und die Presspassung in eine Spielpassung übergeht. Das Verbindungsglied ist dann verschieblich oder bewegbar gelagert und kann von der ersten Position in die zweite Position gebracht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das erste und/oder zweite Verbindungselement einen Hohlraum auf, wobei im verbundenen Zustand das stabförmige Verbindungsglied in den Hohlraum des jeweiligen Verbindungselementes eingebracht und kraft- und/oder formschlüssig mit dem Hohlraum des jeweiligen Verbindungselementes verbunden ist. Die Verbindungselemente können dabei als Nabe ausgebildet sein, bei der der innenliegende Hohlraum einen kreisförmigen, ovalen oder mehreckigen Querschnitt aufweist. Das Verbindungsglied weist einen zu dem Hohlraum der Nabe korrespondierenden Querschnitt auf, sodass es im verbundenen Zustand kraft- und/oder formschlüssig mit dem Verbindungselement verbunden ist.
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In einer anderen alternativen Ausführungsform kann auch das stabförmige Verbindungsglied einen Hohlraum aufweisen, in den das erste und/oder zweite Verbindungselement eingebracht ist, wenn im verbundenen Zustand eine kraftschlüssige Verbindung vorliegt. In diesem Fall ist das stabförmige Verbindungselement in Art einer Hülse ausgebildet die die Verbindungselemente im inneren Hohlraum aufnimmt. Durch Temperierung kann sich dabei das Verbindungsglied bspw. stärker ausdehnen als die Verbindungselemente, wodurch die kraftschlüssige Verbindung aufgelöst und die Presspassung in eine Spielpassung übergeht. Im gelösten Zustand ist das stabförmige Verbindungsglied an den in dem Hohlraum des eingebrachten Verbindungselementes verschieboder bewegbar gelagert, sodass das stabförmige Verbindungsglied von der ersten Position in die zweite Position bringbar ist.
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Auch hier ist es denkbar, dass der Hohlraum des stabförmigen Verbindungsgliedes einen kreisförmigen, ovalen oder mehreckigen Querschnitt aufweist.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung des Verbindungssystems ist dieses so ausgebildet, dass beim Wechsel von dem verbundenen Zustand in den gelösten Zustand das Verbindungsglied automatisch von der ersten Position in die zweite Position gebracht wird. Hierfür weist das Verbindungssystem ein Kraftelement auf, das eine mechanische, elektrische und/oder magnetische Kraft auf das Verbindungsglied in Richtung der zweiten Position ausübt, wenn das Verbindungsglied im verbundenen Zustand in der ersten Position steht, sodass sich beim Wechsel von dem verbundenen Zustand in den gelösten Zustand das Verbindungsglied in die zweite Position verschiebt oder bewegt.
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Durch das Einbringen einer Art Energiespeicher in das Verbindungssystem kann somit das Verbindungssystem auch in einem geschlossenen System gelöst werden, bei dem es nicht möglich ist, mechanische Energie einzubringen. Durch eine entsprechende Temperierung wird dabei die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung aufgelöst, wobei durch den Energiespeicher in Form eines Kraftelementes dann das Verbindungsglied automatisch in die zweite Position verschoben oder bewegt wird.
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Ein derartiges Kraftelement kann vorteilhafter Weise ein Federkraftelement sein, das an dem Verbindungsglied einerseits und an dem ersten Verbindungselement andererseits befestigt ist und eine Federkraft auf das Verbindungsglied in Richtung der zweiten Position ausübt, wenn das Verbindungsglied im verbundenen Zustand in der ersten Position steht. Das Federkraftelement übt somit eine Vorspannkraft permanent auf das Verbindungsglied aus, wobei sich jedoch das Verbindungsglied aufgrund der kraft- und/der formschlüssigen Verbindung im verbundenen Zustand nicht bewegt oder verschiebt. Beim Wechsel von dem verbundenen Zustand in den gelösten Zustand führt jedoch die Vorspannkraft des Federkraftelementes zu einer Bewegung oder Verschiebung des Verbindungsgliedes in Richtung der zweiten Position, sodass das Verbindungsglied dann auch nicht mehr mit dem zweiten Verbindungselement in Eingriff steht.
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Nachdem das Verbindungsglied somit automatisch in die zweite Position verschoben oder bewegt wurde, und die Temperierung des Verbindungssystems rückgängig gemacht werden konnte, kann keine Kraftübertragung mehr stattfinden, da nunmehr das Verbindungsglied nicht mehr in der ersten Position steht, wo eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung möglich wäre. In der zweiten Position ist eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung hingegen nicht mehr möglich, sodass die Verbindung nach Auflösung der Temperierung gelöst wurde.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 schematische Darstellung des Verbindungssystems im verbundenen Zustand;
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2 schematische Darstellung des Verbindungssystems im gelösten Zustand.
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1 zeigt das Verbindungssystem 10, das die beiden Objekte O1 und O2 miteinander verbinden soll. Das Verbindungssystem 10 hat ein erstes Verbindungselement 11 und ein zweites Verbindungselement 12, die an ihrem jeweiligen Objekt fest angeordnet sind. So ist das Verbindungselement 11 an dem Objekt O1 fest angeordnet, während das Verbindungselement 12 an dem Objekt O2 fest angeordnet ist. Denkbar ist hier bspw., dass die Verbindungselemente 11 und 12 nachträglich kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit ihren jeweiligen Objekten O1 und O2 verbunden werden oder dass die Verbindungselemente 11 und 12 integral aus den jeweiligen Objekten ausgeformt sind.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 sind die Verbindungselemente 11 und 12 in Form einer Nabe ausgeführt, die jeweils einen Hohlraum 13 und 14 aufweisen. Die Nabe des Verbindungselementes 11 hat somit einen Hohlraum 13, während die Nabe des Verbindungselementes 12 einen Hohlraum 14 hat.
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In den Hohlraum 13 und 14 ist das Verbindungsglied 15 in Form einer Hohlwelle eingebracht, sodass die beiden Naben 11 und 12 über die Hohlwelle 15 formschlüssig miteinander verbunden sind.
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Die Verbindungselemente 11 und 12 können bspw. aus Aluminium hergestellt sein, wobei Aluminium einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von αAlu = 23,6·10–61/K hat. Die Hohlwelle 15 kann bspw. aus dem Material Invar hergestellt sein, das einen sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von αInvar = ca.1,8·10–6 1/K aufweist.
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Im Ausführungsbeispiel der 1 sei angenommen, dass die Hohlräume 13 und 14 der Naben 11 und 12 einen kreisrunden Innendurchmesser von 18 mm aufweisen. Der Wellendurchmesser der Hohlwelle 15 beträgt dabei bei Umgebungstemperatur von 20°C ein Übermaß von ca. 50 µm, mithin 18,050 mm Durchmesser. Bei Umgebungstemperatur von 20°C liegt somit zwischen den Naben 11 und 12 und der Hohlwelle 15 eine Presspassung vor, die die Kraftübertragung von einem Körper zum nächsten ermöglicht. Damit besteht zwischen dem Objekt O1 und O2 eine kraftschlüssige Verbindung.
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Innerhalb der Hohlwelle 15 ist ein Federkraftelement 16 vorgesehen, das mit einem ersten Punkt 17 an der Hohlwelle 15 angeordnet ist und mit einem zweiten Punkt 18 an dem Verbindungselement 11 in dem Hohlraum 13 angeordnet ist.
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Im verbundenen Zustand, der in 1 gezeigt ist, ist die Feder 16 vorgespannt und übt somit ständig eine Zugkraft auf die Hohlwelle 15 in Richtung der zylindrischen Nabe 11 bzw. des Objektes O1 aus. Da die kraftschlüssige Verbindung jedoch stärker ist, verbleibt das Verbindungsglied 15 in Form der Hohlwelle in seiner kraftübertragenden Position.
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Die Position des Verbindungsgliedes 15 in 1 zeichnet dabei die erste Position, in der das Verbindungsglied 15 sowohl in die zylindrische Nabe 11 als auch in die zylindrische Nabe 12 hineinragt und mit diesen in Eingriff steht.
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Erfolgt nun eine Erhöhung der Umgebungstemperatur auf ca. 180°C, so ändern sich die Größenverhältnisse der zylindrischen Naben 11 und 12 sowie des Hohlelementes 15 in Abhängigkeit ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten unterschiedlich, sodass das Verbindungssystem 10 von dem verbundenen Zustand in den gelösten Zustand wechselt. Denn der Innendurchmesser der zylindrischen Naben 11 und 12 ändert sich auf ca. 18,068 mm, während der Außendurchmesser der Hohlwelle auf ca. 18,055 mm ansteigt. Hierdurch entsteht zwischen den zylindrischen Naben 11 und 12 und der Hohlwelle 15 ein Untermaß von ca. 13 µm, sodass die Presspassung der 1 in eine Spielpassung gemäß 2 übergeht.
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Die Hohlwelle 15 ist nun nichtmehr kraftschlüssig mit den Verbindungselementen 11 und 12 verbunden, wobei sie im gelösten Zustand verschieb- und/oder bewegbar in die angezeigten Richtungen (→ R) gelagert ist. Aufgrund der Tatsache, dass die Feder 16 eine Rückstellkraft in Richtung des Verbindungselementes 11 aufbringt und die kraftschlüssige Verbindung aufgehoben wurde, wird die Hohlwelle 15 in die zylindrische Nabe 11, genauer in den Hohlraum 13 der zylindrischen Nabe 11, hineingezogen.
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Wird die Temperatur nun wieder auf die normale Umgebungstemperatur von 20°C abgesenkt, so verbleibt der gelöste Zustand, da nunmehr die Hohlwelle 15 mit der zylindrischen Nabe 12 und dem Hohlraum 14 nicht mehr im Eingriff steht. Die vormals herrschende Verbindung wurde somit gelöst und kann nur wieder durch Einbringen von mechanischer Energie von außen hergestellt werden. Die beiden Körper sind somit nicht mehr miteinander verbunden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verbindungssystem
- 11
- erstes Verbindungselement
- 12
- zweites Verbindungselement
- 13
- Hohlraum des ersten Verbindungselementes
- 14
- Hohlraum des zweiten Verbindungselementes
- 15
- Verbindungsglied
- 16
- Federkraftelement
- 17, 18
- Befestigungspunkte der Feder
- O1
- erstes Objekt
- O2
- zweites Objekt
