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Die Erfindung betrifft eine Reibscheibenanordnung, umfassend zwei zusammenwirkende Reibscheiben, die über Befestigungsmittel, insbesondere Schrauben, miteinander verbunden sind, wobei die Befestigungsmittel die beiden Reibscheiben zumindest abschnittsweise an zwei zusammenwirkenden Kontaktflächen aufeinander drücken. Eine ähnliche erfindungsgemäße Reibscheibenanordung umfasst zwei zusammenwirkende Reibscheiben, die über Befestigungsmittel miteinander verbunden sind, wobei zwischen den beiden Reibscheiben eine Zwischenscheibe oder ein Zwischenring angeordnet ist, wobei die Befestigungsmittel die beiden Reibscheiben und die Zwischenscheibe oder den Zwischenring zumindest abschnittsweise an zusammenwirkenden Kontaktflächen aufeinander drücken
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Zum Übertragen großer Drehmomente werden Reibscheibenanordnungen dieser Art eingesetzt. Die Größe der Reibscheiben hängt von dem zu übertragenden Drehmoment und der Verspannung der beiden Reibscheiben mit Schrauben ab.
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Durch eine entsprechend hohe Reibung an den Kontaktflächen, d. h. durch deren Versehung mit einem hohen Reibungskoeffizienten, kann die Anzahl der Verbindungsschrauben reduziert werden oder – bei insoweit gleich großer Anzahl an Schrauben – eine Verkleinerung der Reibscheibenanordnung realisiert werden; dann können also gleich große oder sogar höhere Drehmomente bei kleineren oder gleichen Abmessungen übertragen werden.
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Bei Reibscheibenanordnungen der gattungsgemäßen Art ist es nötig, die Grundkörper der Reibscheiben nach entsprechender Abstimmung der Geometrie aus Stahl zu fertigen. Anschließend wird an den zusammenwirkenden Kontaktflächen eine reibungserhöhende Beschichtung aufgebracht. Die zum Einsatz kommenden Beschichtungsverfahren sind relativ kostenintensiv. Die aus Stahl bestehenden Grundkörper können zwar mit weitgehend beliebiger Form versehen werden, allerdings ist dies mit erheblichen fertigungstechnischen Kosten verbunden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Reibscheibenanordnung der gattungsgemäßen Art vorzuschlagen, die sich durch eine stabile und leichte Konzeption auszeichnet. Dennoch soll die Anordnung kostengünstig herstellbar sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Reibscheiben aus einem Grundkörper besteht, der aus einem Material hergestellt ist, das bei Raumtemperatur (T = 20°C) eine gießfähige Konsistenz aufweisen kann. Analog hierzu ist erfindungsgemäß alternativ vorgesehen, dass mindestens eine der Reibscheiben und/oder die Zwischenscheibe oder der Zwischenring aus einem Grundkörper besteht, der aus dem besagten Material hergestellt ist.
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Dieses Material ist bevorzugt Beton, insbesondere Mineralguss.
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Es kann aus Füllstoffen und Binder und gegebenenfalls aus Additiven bestehen, wobei der Füllstoff vorzugsweise einen Gewichtsanteil zwischen 80 % und 95 % aufweist, wobei der Binder vorzugsweise einen Gewichtsanteil zwischen 5 % und 20 % aufweist und wobei der Binder vorzugsweise aus einem Harz, insbesondere aus Epoxydharz, und einem Härter, insbesondere aus einem aminischen Härter, besteht. Alle Bestandteile des Material haben zusammen 100 Gew.-%.
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In den Grundkörper ist bevorzugt mindestens ein Einlegeteil integriert. Dieses erstreckt sich bevorzugt axial bis an die Kontaktfläche bzw. es bildet vorzugsweise einen Teil derselben; es kann auch vorgesehen sein, dass es über die axiale Erstreckung des Grundkörpers axial mit einem vorgegebenen Überstand hinausragt. Das mindestens eine Einlegeteil kann dabei an der Kontaktfläche mit einer reibungserhöhenden Beschichtung versehen sein. Das mindestens eine Einlegeteil besteht dabei bevorzugt aus Metall besteht, insbesondere aus Stahl oder Leichtmetall.
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Das Material des Grundkörpers ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung an der Kontaktfläche mit einer reibungserhöhenden Beschichtung versehen.
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Die reibungserhöhende Beschichtung kann aus Diamanten oder aus anderen harten Materialien, insbesondere aus Wolframkarbid, bestehen oder diese Materialien aufweisen.
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Der Grundkörper kann weiterhin aus mehreren Sektoren bestehen, die sich in Umfangsrichtung aneinander anschließen und die miteinander verbunden sind und so die Scheiben- bzw. Ringstruktur bilden.
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Dem Material des Grundkörpers der Reibscheibe können Verstärkungsfasern beigegeben sein. Hierunter sind auch Stahlstäbe, Matten, Armierungseisen, Körbe, Stahlgewebe und ähnliche Elemente zu verstehen, wie sie auch bei normalem Beton verwendet werden. In das Material kann auch ein Gewebe eingelagert sein. Die Verstärkungsfasern oder das Gewebe können dabei aus einem Kokosmaterial, einem Baumwollmaterial, aus Glas, aus Kohlenstoff, aus Metall oder aus Metallschaum bestehen. Das Gewebe kann dabei gestrickt, gehäkelt, gewebt oder gewickelt sein. Es können kurze und lange Stahlspäne vorgesehen werden. Damit ist generell eine geordnete Struktur herstellbar. Als weitere Möglichkeit sei das Einbringen sog. Nanotubes genannt.
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Beton ist ein Gemisch aus Zement, Gesteinskörnung und Anmachwasser; gegebenenfalls sind auch Betonzusatzstoffe und Betonzusatzmittel enthalten. Der Zement dient als Bindemittel, um die anderen Bestandteile zusammenzuhalten. Die Festigkeit des Betons entsteht durch Auskristallisierung der Klinkerbestandteile des Zements unter Wasseraufnahme.
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Dem Beton können Fasern aus Stahl, Kunststoff, Kohlenstoff oder Glas zugesetzt werden, um Faserbeton zu erhalten.
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Mineralguss (auch Polymerbeton genannt) enthält im Unterschied zu normalem Beton ein Polymer, also ein Kunststoffmaterial, als Bindemittel, das die Gesteinskörnung zusammenhält. Zement wird im Mineralguss, falls überhaupt, nur als Füllstoff eingesetzt und übernimmt keine Bindewirkung. Die am weitesten verbreitete Polymermatrix für Mineralguss ist ungesättigtes Polyesterharz.
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Mineralguss hat in seinem Anwendungsbereich deutlich bessere mechanische und chemische Eigenschaften als Zement-Beton. Die Gelierzeit dieser Harze kann durch die Menge der verwendeten Katalysatoren und Härter eingestellt werden. Bevorzugt kommt als Polymer, also als Bindemittel, Epoxydharz zum Einsatz, um ein gutes schwingungsdämpfendes Verhalten zu generieren.
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Generell können alle Materialien für die Umsetzung der vorgeschlagenen Idee zum Einsatz kommen, die „kalt“ gegossen werden können, d. h. Materialien, die bei Raumtemperatur (20 °C) eine gießfähige Konsistenz aufweisen können.
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Das erfindungsgemäße Konzept basiert also auf der Idee der Herstellung einer Reibscheibe oder auch einer Zwischenscheibe bzw. eines Zwischenrings insbesondere aus Mineralguß bzw. Polymerbeton vorzugsweise mit Einlegeteilen aus Stahl. Die Dicke der Reibscheibe und genaue Geometrie der Einlegeteile werden an die zu übertragenden Kräfte angepaßt.
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Die Einlegeteile werden in einer Gießform für die Grundkörper der Reibscheibe positioniert; dann werden durch Ausgießen der Form mit flüssigem Beton, insbesondere durch die Mineralgussmasse, die Einlegeteile mit dem Betonmaterial, also insbesondere durch den Mineralguss, miteinander verbunden.
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Durch diese Konstruktion und dieses Vorgehen können kostengünstige Reibscheiben bzw. auch Reibscheibensegmente (bzw. -sektoren) hergestellt werden.
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Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, dass Mineralguss einen guten Schutz vor aggressiven Medien bietet. Dies kommt dannn besonders zum Tragen, wenn die Reibscheibenanordnung in entsprechend aggresiver Umgebung eingesetzt wird.
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Eine reibungserhöhende Beschichtung kann entweder direkt auf dem Mineralguss aufgebracht werden oder es werden die Einlegeteile beschichtet, die dann durch den Gießvorgang mit dem Material des Grundkörpers verbunden, d. h. eingegossen, werden.
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Dabei kann die vorgeschlagene Reibscheibe bzw. die Zwischenscheibe bzw. der Zwischenring als komplette, einteilige Scheibe bzw. Ring gefertigt werden; es ist aber auch möglich, Segmente (bzw. Sektoren) vorzusehen, die miteinander verbunden werden und die Reibscheibe bilden.
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Die Einlegeteile können dabei unterschiedliche Geometrien aufweisen. Die Druckkräfte im Betrieb können entweder direkt vom Mineralguss, d. h. vom Grundkörper, aufgenommen werden; es ist aber auch möglich, durch entsprechende geometrische Gestaltung der Einlegeteile (d. h. insbesondere ein hinreichendes Herausragen aus dem Grundkörper) die Einlegeteile zum (Haupt) Träger der Kräfte zu machen. Im letztgenannten Falle ist der Mineralguss nur eine Art Halterung für die Einlegeteile und erfährt selber keine oder nur eine geringe Druckbelastung.
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Die reibungserhöhende Beschichtung kann als Diamantbeschichtung aufgebracht werden. Es sind aber auch andere Beschichtungen denkbar, beispielswiese eine Beschichtung mit Wolframcarbid, insbesondere aufgebracht mittels des HVOF-Verfahrens.
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Kostengünstige Beschichtungsverfahren sind Plasma- oder Flammspritzen mit unterschiedlichen Materialien. Denkbar ist auch eine Materialkomposition, wie sie bei Bremsbelägen in der Fahrzeug- bzw. Windkraftindustrie zum Einsatz kommt (hier sind die Bestandteile zumeist beispielsweise Antimontrisulfid, Kupfer, Bariumsulfat, Messing, Eisen, Grauguss, Mineralfasern, Sulfide und Molybdän).
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Es besteht auch die Möglichkeit, alternativ oder additiv das Vergießen der Betonmasse, insbesondere des Mineralgusses, so vorzunehmen, dass sich durch die gegossene Kontaktfläche der Reibscheibe eine erhöhte Reibung entsteht, d. h. reibungserhöhende Oberflächenstrukturen vorliegen. Hier ist beispielsweise an eine erhöhte Oberflächenrauhigkeit durch eine Ausbildung von zahnförmigen Strukturen, keilförmigen Strukturen, Stegen, Haken, Widerhaken und/oder Schuppen gedacht.
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Durch die erläuterte Ausgestaltung und die genannten Maßnahmen kann eine Reduzierung der Anzahl an Befestigungsschrauben bzw. der sonstigen Befestigungsmittel erfolgen bzw. eine kleinere Dimensionierung derselben. Daraus folgt die Erhöhung des übertragbaren Drehmomentes bzw. die Reduzierung des Flanschdurchmessers und der Befestigungsmittel.
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Die vorgeschlagenen Reibscheibenanordnung ist besonders gut geeignet für Anlagen, die in aggressiver Umgebung arbeiten, beispielsweise in Speicheranlagen für die Speicherung von CO2 unter Tage, im Offshore-Bereich (insbesondere für Wellen- oder Gezeiten-Energieerzeugungsanlagen), für Anlagen zur hydrothermalen Karbonisierung, für die Vakuum-Karbonisierung oder für die Klärschlamm-Aufarbeitung.
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Vorteilhaft ist, dass weitgehend frei formbare Reibscheiben oder Reibscheibensegmente gemäß dem erfindungsgemäßen Konzept herstellbar sind, die der jeweiligen Gegebenheit gut angepasst werden können. Die einfache Gießbarkeit des Mineralgusses läßt dem Konstrukteur viele Gestaltungsmöglichkeiten. Neben der eigentlichen Formgebung der Reibscheiben können die unterschiedlichsten Bauteile und reibungserhöhende Komponenten unkompliziert angepaßt und in den Reibscheiben-Grundkörper integriert werden. Der Ausgestaltung der Oberflächenstruktur sind sehr weite Grenzen gesetzt.
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Besonders vorteilhaft ist es, dass Mineralguss nur etwa ein Drittel der Dichte von Stahl hat und so signifikante Gewichtsvorteile erzielt werden können.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 die Seitenansicht einer Reibscheibenanordnung, mit der ein Drehmoment von einer Welle auf eine andere Welle übertragen werden kann,
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2 einen Teil der linken Reibscheibe, wobei der Bereich X gemäß 1 geschnitten dargestellt ist, und
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3 den Radialschnitt durch eine zu 1 alternativ aufgebaute erfindungsgemäße Reibscheibenanordnung.
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In 1 ist eine Reibscheibenanordnung 1 zu sehen, mit der ein Drehmoment von einer ersten Welle 11 auf eine zweite Welle 12 übertragen werden kann. Die Reibscheibenanordnung umfasst zwei Reibscheiben 2 und 3, die über Befestigungsmittel 4 in Form von Schrauben miteinander axial verspannt sind. Aufgrund der axialen Andruckkraft der Befestigungsmittel 4 werden die beiden Kontaktflächen 5 der linken Reibscheibe 2 und 6 der rechten Reibscheibe 3 aufeinander gedrückt, so dass ein Drehmoment reibschlüssig übertragen werden kann.
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Ausgehend von einer insoweit vorbekannten Reibscheibenanordnung ist nunmehr als wesentlicher Aspekt vorgesehen, dass die Reibscheiben 2 und 3 jeweils einen Grundkörper 7 und 8 haben, der aus einem Material B hergestellt ist, das bei Raumtemperatur (also bei T = 20°C) eine gießfähige Konsistenz aufweisen kann. Konkret handelt es sich bei dem Material B um Mineralguss.
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Wie sich aus der Schnittdarstellung gemäß 2 ergibt, sind in das Material B Einlegeteile 9 integriert, die durch den Gießvorgang des Mineralgusses fest in die Reibscheiben 2, 3 eingebunden sind. Die Einlegeteile 9 weisen im Ausführungsbeispiel im Bereich der Kontaktflächen 5 bzw. 6 eine reibungserhöhende Beschichtung 10 auf. Diese besteht bevorzugt aus einer Schicht aus Diamantpartikeln, die auf der Oberfläche des Einlegeteils 9 fixiert sind. Entsprechende Fixierungstechnologien sind hinlänglich bekannt (beispielsweise können die Partikel mit einer Nickelschicht angebunden werden).
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Möglich ist es aber auch, dass direkt die Kontaktfläche 5 bzw. 6 der Reibscheiben 2, 3 mit besagter reibungserhöhender Beschichtung 10 versehen wird.
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Durch die reibungserhöhende Beschichtung 10 kann bei gegebener axialer Anpresskraft durch die Befestigungsmittel 4 ein großes Drehmoment zwischen den Wellen 11 und 12 übertragen werden.
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Die ins Material B eingegossenen Einlegeteile 9 übertragen dabei die wesentlichen Kräfte, so dass das Grundmaterial B der Reibscheiben 2, 3, also der Mineralguss, lediglich als Trägermaterial dient, das keine hohen Kräfte übertragen muss.
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Bei der Lösung nach 3 ist eine etwas andere Konstruktion gewählt. Generell gilt das oben Gesagte. Hier allerdings hat die Reibscheibenanordnung 1 zwei Reibscheiben 2 und 3, zwischen denen eine Zwischenscheibe bzw. genauer gesagt ein Zwischenring 13 angeordnet ist. Die Reibscheibe 2 hat die Kontaktfläche 5‘, die Reibscheibe 3 die Kontaktfläche 5‘‘; der Zwischenring 13 hat die korrespondierenden Kontaktflächen 6‘ und 6‘‘. Wird die Anordnung durch die (hier nicht angedeuteten) Befestigungsmittel 4 in axiale Richtung verspannt, werden demgemäß die Kontaktflächen aufeinander gepresst.
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Der Zwischenring 13 weist wiederum einen Grundkörper 14 auf, in dem Einlegeteile 9 angeordnet sind. Die Einlegeteile 9 erstrecken sich axial etwas über die beiden stirnseitigen Oberflächen des Zwischenrings 14 hinaus, was in 3 mit dem Überstand s – allerdings stark übertrieben – dargestellt ist. Der Überstand beträgt zumeist im Bereich zwischen 0,3 mm und 5 mm, bevorzugt zwischen 0,5 mm und 1 mm.
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Der Zwischenring 13 fungiert somit praktisch als Halteelement für die Einlegeteile 9, die bevorzugt äquidistant um den Umfang des Zwischenrings 13 im Material B desselben platziert sind.
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Die Einlegeteile 9 weisen auch hier reibungserhöhende Beschichtungen 10 in ihren axialen Endbereichen auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Reibscheibenanordnung
- 2
- Reibscheibe
- 3
- Reibscheibe
- 4
- Befestigungsmittel
- 5
- Kontaktfläche
- 5‘
- Kontaktfläche
- 5‘‘
- Kontaktfläche
- 6
- Kontaktfläche
- 6‘
- Kontaktfläche
- 6‘‘
- Kontaktfläche
- 7
- Grundkörper
- 8
- Grundkörper
- 9
- Einlegeteil
- 10
- reibungserhöhende Beschichtung
- 11
- Welle
- 12
- Welle
- 13
- Zwischenscheibe / Zwischenring
- 14
- Grundkörper
- B
- Material (Mineralguss / Polymerbeton)
- s
- Überstand
