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Die Erfindung betrifft eine Welle zum Übertragen von Drehmomenten, mit einer Hohlwelle aus faserverstärktem Kunststoff, wobei wenigstens an einem Ende der Hohlwelle ein Flansch befestigt ist, über den die Hohlwelle mit einem antreibenden oder angetriebenen Maschinenteil verbindbar ist.
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Eine derartige Welle ist beispielsweise aus der
DE 297 08 324 U1 bekannt. Die Kraftübertragungswelle weist ein aus faserverstärktem Kunststoff bestehendes Rohr auf, an dessen Enden jeweils ein Anschlussstück zur Drehmomentübertragung befestigt ist, welches wenigstens einen mit dem Ende des Rohres steckverbindbaren Hülsenabschnitt aufweist. Im axialen Überdeckungsbereich weisen der Hülsenabschnitt und das Rohr korrespondierende radiale Durchgangsbohrungen auf, in denen radial durchsetzende Bolzen zur Drehmomentübertragung angeordnet sind. Die Welle weist insgesamt trotz ihres gegenüber herkömmlichen Wellen relativ geringen Gewichtes recht gute Festigkeitseigenschaften und ein gutes Ermüdungsverhalten auf. Nachteilig hierbei ist allerdings, dass die Fertigung der Welle aufwendig ist.
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Es ist somit Aufgabe der Erfindung, eine neuartige Welle zum Übertragen von Drehmomenten bereitzustellen, welche zumindest unter Beibehaltung der Festigkeitseigenschaften einfacher und kostengünstiger herstellbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Welle mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger und technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden.
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Eine erfindungsgemäße Welle umfasst eine Hohlwelle aus faserverstärktem Kunststoff, wobei wenigstens an einem Ende der Hohlwelle ein Flansch befestigt ist, über den die Hohlwelle mit einem antreibenden oder angetriebenen Maschinenteil verbindbar ist. Die Welle zeichnet sich dadurch aus, dass der Flansch mit einer Mehrzahl von Verbindungsmitteln an der Stirnseite am Ende der Hohlwelle befestigt ist, wobei der Flansch eine Mehrzahl von im Wesentlichen in Axialrichtung der Hohlwelle verlaufenden Durchgangsbohrungen und die Hohlwelle innerhalb des Materials ihres Mantels eine Mehrzahl von im Wesentlichen in Axialrichtung verlaufenden Sacklochbohrungen aufweisen, wobei jeweils eine Durchgangsbohrung und eine Sacklochbohrung eine Aufnahme für eines der Verbindungsmittel bilden. Das bevorzugt längliche, stiftförmige Verbindungsmittel liegt dabei in der Sacklochbohrung und erstreckt sich durch die zugehörige Durchgangsbohrung am Flansch.
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Im Sinne der Erfindung sind unter dem Begriff Flansch solche Elemente zu verstehen, die dazu geeignet sind, die Hohlwelle mit anderen Elementen zu verbinden. Erfindungsgemäße Flansche sind beispielsweise auch Membrane oder Kupplungselemente, an die die Welle direkt angebunden wird.
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Die erfindungsgemäße Welle weist gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, dass der Flansch im Wesentlichen eben ausgebildet sein kann und sich somit einfacher und kostengünstiger herstellen lässt. Der aus dem Stand der Technik bekannte in die Welle einsteckbare Hülsenabschnitt kann entfallen. Somit hat der Flansch auch ein gegenüber dem Stand der Technik geringeres Gewicht. Auch sind die erfindungsgemäßen Durchgangs- und Sacklochbohrungen einfach und kostengünstig in der Herstellung. Ferner weist die erfindungsgemäße Welle gegenüber dem Stand der Technik eine verbesserte Festigkeit auf, da keine durchgehenden Bohrungen im Wellenmantel in Radialrichtung benötigt werden, die zu einer Schwächung der Welle im Flanschbereich führen können. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist eine sichere Übertragung von Drehmomenten und/oder von Biegemomenten vom Flansch auf die Welle gewährleistet. Dies wird insbesondere durch Reibung zwischen Flansch und Stirnseite der Hohlwelle erreicht, in Kombination mit einer Vorspannung der Verbindungsmittel.
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Im Sinne der Erfindung ist unter Sacklochbohrung eine Bohrung zu verstehen, die nur eine Öffnung bzw. einen Zugang aufweist. Die Sacklochbohrung ist ein endseitig offener, länglicher Hohlraum in der Wandung der Hohlwelle.
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Unter stiftförmigen Verbindungsmitteln sind erfindungsgemäß längliche Mittel zu verstehen, die dazu ausgebildet sind, zu fügende Werkstücke miteinander zu verbinden. Die Verbindungsmittel können wenigstens bereichsweise ein Gewinde aufweisen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungsmittel als Schraubanker ausgebildet. Das Außengewinde des Schraubankers schneidet hierbei bevorzugt beim Einschrauben ein Innengewinde in den Wellenmantel bzw. in die Aufnahme des Wellenmantels. Die Verankerung erfolgt hierbei durch das Gewinde. In dieser Ausgestaltung kann in nur wenigen Arbeitsschritten und mit einfachen Mitteln eine sichere Verbindung zwischen Flansch und Hohlwelle geschaffen werden. Bevorzugt kann vor Einbringung des Schraubankers in den Wellenmantel ein Schmiermittel bzw. ein Klebstoff auf den Schraubanker aufgebracht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungsmittel als Bolzenanker bzw. Spreizdübel ausgebildet. Der Bolzenanker weist einen Bolzen und ein Spreizelement auf. Durch das Aufbringen einer Kraft, insbesondere durch das Anziehen einer Mutter, wird der Bolzen in das Spreizelement gezogen, wodurch sich das Spreizelement gegen die Bohrlochwand der Sacklochbohrung verspannt.
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Die Verbindungsmittel, der Flansch und die Hohlwelle können stoffschlüssig miteinander verbunden sein. Vorteilhafterweise ist das Verbindungsmittel als Verbundanker ausgebildet. Erfindungsgemäß werden unter Verbundanker insbesondere metallene Gewindestäbe, wie Ankerstäbe oder -stangen, verstanden. Der Verbundanker weist wenigstens bereichsweise ein Außengewinde oder andere radial nach außen abstehende Verankerungsmittel auf. Um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Verbundanker und Hohlwelle bzw. Flansch herzustellen, kann in die Aufnahme im Wellenmantel ein Reaktionsharz bzw. ein Kleber eingebracht sein. Bei dem Reaktionsharz handelt es sich bevorzugt um ein Zweikomponenten-Reaktionsharz. Das Harz kann in die Aufnahme im Wellenmantel injiziert werden. Hierbei füllt die Harzmischung den Zwischenraum zwischen den zu fügenden Werkstücken und der Ankerstange aus und härtet anschließend aus. Ferner kann in die Aufnahme ein Gewindeeinsatz oder eine Hülse eingebracht sein, in den bzw. in die der Verbundanker angeordnet ist. Der Gewindeeinsatz bzw. die Hülse können stoffschlüssig mit dem Wellenmantel verbunden sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist auch die Stirnfläche der Hohlwelle mit dem Flansch stoffschlüssig verbunden. Das Versehen der Kontaktfläche mit einer Klebeschicht zwischen Flansch und Hohlwelle begünstigt die Eigenschaften der Welle zum Übertragen von Drehmomenten bezüglich ihrer Robustheit und der Höhe des übertragbaren Drehmoments. Vorzugsweise erfolgt die Verklebung unter Verwendung eines Epoxidharzes, insbesondere eines zweikomponentigen Epoxidharzes.
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Um die Verbindung zwischen Hohlwelle und Flansch weiter zu verbessern und den erhöhten Leistungsanforderungen gerecht zu werden, kann die Stirnfläche der Hohlwelle mit dem Flansch zudem formschlüssig verbunden sein. Der Formschluss kann dabei idealerweise als Mikroformschluss hergestellt sein. Der Formschluss wird beispielsweise dadurch erreicht, dass wenigstens eine der einander zugewandten Flächen der Hohlwelle bzw. des Flansches eine reibungserhöhende Bearbeitung erfährt. Dies kann durch Rändeln, Strahlen, Bürsten, Drehen, Fräsen oder durch eine andere Methode zum Aufrauen der Kontaktfläche hergestellt werden. Aber auch das Auftragen einer reibungserhöhenden Schicht auf den Flansch oder die Stirnseite der Hohlwelle ist grundsätzlich denkbar. Durch die Verwendung derartiger Schichten lässt sich der statische Reibwert einfach erhöhen, wodurch die Übertragung größerer Kräfte und Momente auch bei einer weiterhin kompakten und leichten Konstruktion möglich ist.
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Die erfindungsgemäße Welle kann eine reibwerterhöhende Scheibe bzw. Folie aufweisen, die zwischen der Stirnfläche der Hohlwelle und dem Flansch angeordnet ist. Die Scheibe trägt an ihrer Oberfläche Partikel definierter Größe, wobei diese Partikel aus einem Material (z. B. einem Hartstoff wie Korund oder Diamant) mit einer Druck- und Scherfestigkeit bestehen, welche jene der Hohlwelle und des Flansches übertrifft. Hierdurch drücken sich die Partikel in die Oberflächen der zu fügenden Bauteile und bewirken so einen zuverlässigen Reibschluss. Bei den Partikel kann es sich idealerweise um Diamant handeln. Die Partikel, insbesondere die Diamantpartikel, können in einer Nickelmatrix angeordnet sein. Die Scheibe weist dabei idealerweise eine Mehrzahl von Öffnungen auf, die mit den erfindungsmäßen Durchgangs- und Sacklochbohrungen korrespondieren. Denkbar ist auch die Anordnung eines Drahtgitters zwischen der Stirnfläche der Hohlwelle und dem Flansch und/oder eines Schleifgitters, aufweisend bevorzugt ein feines Metallgitter mit Reibpartikeln.
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In einer bevorzugten Ausführung weist der Flansch bzw. die Welle selbst eine reiberhöhende Schicht auf. Diese kann durch eine direkte Beschichtung erhalten werden. Hierzu können beispielsweise Reibpartikel auf dem Stahlflansch mittels additiven Fertigungsverfahren, Galvanisierung oder 3D-Druck aufgebracht worden sein. Auch die Beschichtung mit einem reibwerterhöhenden Lack ist möglich. Denkbar ist auch eine Oberflächenstrukturierung des Metallflanschs mittels Ätzen oder Laserbearbeitung.
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Erfindungsgemäß müssen sowohl die Durchgangsbohrungen am Flansch als auch die Sacklochbohrungen in der Hohlwelle nicht exakt parallel zur Längsachse der Hohlwelle verlaufen. Die Bohrungen können auch unter einem bestimmten Winkel zur Längsachse der Hohlwelle ausgerichtet sein. Die Verbindungsmittel können somit im Hinblick auf die Erstreckung der Längsachse der Hohlwelle einen schrägen Verlauf aufweisen.
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Bevorzugt ist die Hohlwelle im Bereich der Sacklochbohrung, insbesondere der Mantel der Hohlwelle, verdickt ausgebildet. Hierdurch kann trotz der Sacklochbohrungen innerhalb des Mantels der Hohlwelle eine gute Stabilität und Festigkeit der Hohlwelle sichergestellt werden. Die Verdickung lässt sich erfindungsgemäß beispielsweise einfach dadurch erhalten, dass der Bereich um die Bohrungen mit zusätzlichen faserverstärkten Schichten umwickelt ist.
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Der erfindungsgemäße Flansch kann aus einem metallischen Werkstoff, einem Faserverbundstoff oder einem Thermoplast hergestellt sein.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren eine besonders bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung zeigen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die gezeigte Ausführungsvariante beschränkt. Insbesondere umfasst die Erfindung, soweit es technisch sinnvoll ist, beliebige Kombinationen der technischen Merkmale, die in den Ansprüchen aufgeführt oder in der Beschreibung als erfindungsrelevant beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 schematische Schnittdarstellung des Flanschbereichs einer erfindungsgemäßen Welle in einer ersten Ausgestaltung,
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2 schematische Schnittdarstellung des Flanschbereichs einer erfindungsgemäßen Welle in einer zweiten Ausgestaltung,
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3 schematische Schnittdarstellung des Flanschbereichs einer erfindungsgemäßen Welle in einer dritten Ausgestaltung.
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1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des Flanschbereichs einer erfindungsgemäßen Welle 10 in einer ersten Ausgestaltung. Die erfindungsgemäße Welle 10 umfasst eine Hohlwelle 12 aus faserverstärktem Kunststoff, wobei wenigstens an einem Ende der Hohlwelle 12 ein Flansch 20 befestigt ist. Über den Flansch 20 ist die Hohlwelle 12 mit einem antreibenden oder angetriebenen Maschinenteil verbindbar. Der Flansch 20 ist mit einer Mehrzahl von Verbindungsmitteln 24, 26 bzw. 34 an der Stirnseite am Ende der Hohlwelle 12 befestigt. Hierzu weisen der Flansch 20 eine Mehrzahl von in Axialrichtung der Hohlwelle 12 verlaufende Durchgangsbohrungen 22 und die Hohlwelle 12 innerhalb des Materials ihres Mantels 14 eine Mehrzahl von in Axialrichtung verlaufende Sacklochbohrungen 16 auf. Eine Durchgangsbohrung 22 und eine Sacklochbohrung 16 bilden eine Aufnahme für jeweils ein Verbindungsmittel 24, 26, 34.
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Das in 1 dargestellte Verbindungsmittel 24 ist als Schraubanker ausgebildet. Das Gewinde des Ankers schneidet hierbei bevorzugt beim Einschrauben in die Aufnahme ein Innengewinde.
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Um die Verbindung zwischen Flansch 20 und Hohlwelle 12 weiter zu verbessern, sind die Stirnfläche der Hohlwelle 12 und der Flansch 20 stoffschlüssig miteinander verbunden. Hierzu weist die Kontaktfläche zwischen Flansch 20 und Hohlwelle 12 eine Klebschicht 40 auf. Die Klebschicht 40 besteht insbesondere aus einem Epoxidharz.
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In 2 ist das Verbindungsmittel als Bolzenanker 26 ausgebildet. Der Bolzenanker 26 weist einen Bolzen 28 und ein Spreizelement 29 auf. Durch das Aufbringen einer Kraft, insbesondere durch das Anziehen einer Mutter 30, wird der Bolzen 28 in das Spreizelement 29 gezogen, wodurch sich das Spreizelement 29 aufspreizt und sich von innen gegen die Bohrlochwand verspannt.
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Die Verbindung zwischen Hohlwelle 12 und Flansch 20 ist weiter dadurch verbessert, dass die Stirnfläche der Hohlwelle 12 mit dem Flansch 20 formschlüssig verbunden ist. Der Formschluss wird idealerweise als Mikroformschluss hergestellt, wobei wenigstens eine der einander zugewandten Flächen der Hohlwelle 12 bzw. des Flansches 20 eine reibungserhöhende Bearbeitung, beispielsweise mittels Rändeln oder Strahlen, erfährt.
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In 3 ist das Verbindungsmittel als Verbundanker 34 ausgebildet. Der Verbundanker 34 ist als Stange 36 ausgebildet. Um eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Verbundanker 34, Hohlwelle 12 sowie Flansch 20 herzustellen, ist in die Öffnung ein Reaktionsharz 32 eingebracht. Bei dem Reaktionsharz 32 handelt es sich bevorzugt um ein Zweikomponenten-Reaktionsharz. Nach Einsetzen des Verbundankers 34 in die Aufnahme wird das Harz 32 ausgehärtet, wodurch es letztendlich zum Stoffschluss kommt. Der Verbundanker 34 weist an seinem Ende radial abstehende Ankerelemente 38 auf, um die Festigkeit der Verankerung zu erhöhen. Erfindungsgemäß muss nicht zwingend ein Reaktionsharz zum Einsatz kommen. Die Verwendung eines anderen Klebers ist ohne weiteres möglich.
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Um die Eigenschaften der Welle 10 bezüglich der Übertragung von Drehmomenten weiter zu verbessern, ist zwischen der Stirnfläche der Hohlwelle 12 und dem Flansch 20 eine reibwerterhöhende Scheibe 44 angeordnet. Die Scheibe 44 trägt an ihrer Oberfläche Partikel 46 definierter Größe, die aus einem Material mit einer Druck- und Scherfestigkeit bestehen, welche jene der Hohlwelle 12 und des Flansches 20 übertreffen. Die Partikel 46 bestehen idealerweise aus Diamant und können in einer Nickelmatrix eingebettet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Welle
- 12
- Hohlwelle
- 14
- Mantel Hohlwelle
- 16
- Sacklochbohrung
- 18
- Verdickung Hohlwelle
- 20
- Flansch
- 22
- Durchgangsbohrung
- 24
- Schraubdübel
- 26
- Bolzenanker/Spreizdübel
- 28
- Bolzen
- 29
- Spreizclip
- 30
- Mutter
- 32
- Reaktionsharz
- 34
- Verbundanker
- 38
- Ankerelemente
- 40
- Klebschicht
- 42
- aufgeraute Oberfläche
- 44
- reiberhöhende Scheibe
- 46
- Partikel reiberhöhende Scheibe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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