DE102021132561A1 - Articulated joint, rotating unit and progressive cavity pump - Google Patents
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Abstract
Gelenkverbindung (1) innerhalb einer rotierenden Einheit (2) einer Pumpe, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe (3), mit zumindest einem ersten Gelenkteil (A), das einen endseitigen Gelenkzapfen (10) aufweist und einem zweiten Gelenkteil (B), das zumindest eine endseitige Gelenkaufnahme (11) aufweist, in die der Gelenkzapfen (10) (zur Übertragung von Axialkräften und eines Drehmomentes) gelenkig eingreift, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gelenkteil (A) und/oder das zweite Gelenkteil (B) zumindest bereichsweise oder vollständig aus einem Werkstoff auf Basis eines thermoplastischen Hochleistungspolymers gefertigt ist/sind.Articulated connection (1) within a rotating unit (2) of a pump, in particular an eccentric screw pump (3), having at least a first joint part (A) which has an end joint pin (10) and a second joint part (B) which has at least one end joint pin (10). joint mount (11) into which the joint pin (10) (for the transmission of axial forces and a torque) engages in an articulated manner, characterized in that the first joint part (A) and/or the second joint part (B) consists at least partially or completely of a Material based on a thermoplastic high-performance polymer is / are made.
Description
Die Erfindung betrifft eine Gelenkverbindung innerhalb einer rotierenden Einheit einer Pumpe, insbesondere innerhalb einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe, mit zumindest einem ersten Gelenkteil, das einen endseitigen Gelenkzapfen aufweist und zumindest einem zweiten Gelenkteil, das zumindest eine endseitige Gelenkaufnahme aufweist, in die der Gelenkzapfen des ersten Gelenkteils zur Übertragung von Axialkräften und Drehmomenten gelenkig eingreift. Die Erfindung betrifft außerdem eine rotierende Einheit einer Pumpe, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe, mit einer oder mit mehreren solcher Gelenkverbindungen. Ferner betrifft die Erfindung eine Exzenterschneckenpumpe mit einem Antrieb, einem Stator und mit einer solchen rotierenden Einheit. Die rotierende Einheit weist eine oder mehrere Gelenkverbindungen und folglich Gelenke auf, die für die Übertragung von Drehmoment und Schub über einen gelenkigen Bewegungsbereich konzipiert sind.The invention relates to an articulated connection within a rotating unit of a pump, in particular within a rotating unit of an eccentric screw pump, having at least a first joint part, which has a pivot pin at the end and at least a second joint part, which has at least one joint receptacle at the end, into which the pivot pin of the first Joint part engages in an articulated manner for the transmission of axial forces and torques. The invention also relates to a rotating unit of a pump, in particular an eccentric screw pump, with one or more such articulated connections. Furthermore, the invention relates to an eccentric screw pump with a drive, a stator and with such a rotating unit. The rotating assembly has one or more articulations and hence joints designed to transmit torque and thrust over an articulated range of motion.
Bei einer Exzenterschneckenpumpe handelt es sich um eine Pumpe aus der Gruppe der rotierenden Verdrängerpumpen, die zur Förderung unterschiedlicher Medien und insbesondere flüssiger Medien und auch hochviskoser Flüssigkeiten in unterschiedlichsten Industriebereichen verwendet werden. Die zu fördernden Flüssigkeiten können dabei z. B. auch Feststoffanteile enthalten.An eccentric screw pump is a pump from the group of rotating positive displacement pumps that are used to convey different media and in particular liquid media and also highly viscous liquids in a wide variety of industrial sectors. The liquids to be pumped can e.g. B. also contain solids.
Die Exzenterschneckenpumpe weist zumindest einen Stator, einen in dem Stator rotierenden Rotor, einen Antrieb für den Rotor und z. B. ein an den Stator angeschlossenes Pumpengehäuse auf, das je nach Betriebsweise auch als Sauggehäuse bezeichnet wird und das zumindest eine Gehäuseöffnung (z. B. Einlassöffnung) für das zu fördernde Medium aufweist. Der Antrieb (z. B. ein Elektromotor) arbeitet auf eine zentrisch rotierende Welle, bei der es sich z. B. um eine Antriebswelle oder auch eine Steckwelle handeln kann. Die (zentrisch) rotierende Welle arbeitet über eine Kupplungseinrichtung (z. B. eine Kuppelstange) auf den Rotor oder dessen Rotorkopf, der exzentrisch rotiert, so dass über die Kupplungseinrichtung die Exzentrizität erzeugt bzw. gewährleistet wird. So kann z. B. die Welle über eine erste Gelenkverbindung mit der Kupplungseinrichtung (z. B. Kuppelstange) verbunden sein und die Kupplungseinrichtung wiederum über eine zweite Gelenkverbindung mit dem Rotor bzw. dem Rotorkopf. Die rotierende Einheit einer solchen Exzenterschneckenpumpe umfasst folglich die von dem Antrieb angetriebene Welle, die Kupplungseinrichtung und den Rotor oder zumindest dessen Rotorkopf.The eccentric screw pump has at least one stator, a rotor rotating in the stator, a drive for the rotor and z. B. a pump housing connected to the stator, which is also referred to as a suction housing depending on the mode of operation and which has at least one housing opening (e.g. inlet opening) for the medium to be pumped. The drive (z. B. an electric motor) works on a centrally rotating shaft, which is z. B. can be a drive shaft or a stub shaft. The (centrically) rotating shaft works via a coupling device (e.g. a coupling rod) on the rotor or its rotor head, which rotates eccentrically, so that the coupling device generates or ensures the eccentricity. So e.g. For example, the shaft can be connected to the coupling device (e.g. coupling rod) via a first articulated connection, and the coupling device can in turn be connected to the rotor or the rotor head via a second articulated connection. The rotating unit of such an eccentric screw pump consequently comprises the shaft driven by the drive, the coupling device and the rotor or at least its rotor head.
Der Stator besteht aus z. B. elastischem Material und er ist in der Regel von einem einteiligen oder mehrteiligen Statormantel bzw. Statorgehäuse (z. B. aus Metall) umgeben. Der elastische (z. B. elastomere) Stator kann dabei fest mit dem Statormantel verbunden sein, z. B. in diesen einvulkanisiert sein. Alternativ kann der Stator aber auch lösbar und damit austauschbar von dem Statormantel umgeben sein. Alternativ werden aber auch Statoren aus anderem Material, z. B. aus Metall erfasst. Das Pumpengehäuse wird in der Praxis auch als Sauggehäuse bezeichnet. Auf der dem Sauggehäuse abgewandten Seite des Stators ist z. B. ein weiteres Gehäuseteil vorgesehen, das als Anschlussstutzen, z. B. als Druckstutzen bezeichnet werden kann.The stator consists of z. B. elastic material and it is usually surrounded by a one-piece or multi-piece stator casing or stator housing (e.g. made of metal). The elastic (e.g. elastomeric) stator can be firmly connected to the stator casing, e.g. B. be vulcanized in this. Alternatively, the stator can also be surrounded by the stator casing in a detachable and thus replaceable manner. Alternatively, however, stators made of other materials, e.g. B. made of metal. In practice, the pump housing is also referred to as the suction housing. On the side facing away from the suction housing of the stator z. B. another housing part provided as a connecting piece, z. B. can be referred to as a pressure port.
Exzenterschneckenpumpen der beschriebenen Art sind z. B. aus der
Bei derartigen Exzenterschneckenpumpen wird die Kupplungseinrichtung z. B. von einer Kuppelstange gebildet und die Gelenkverbindungen sind häufig als Bolzengelenke und/oder Kardangelenke ausgebildet. Die Kuppelstange ist zum Ausgleich exzentrischer Bewegungen über jeweils ein Bolzengelenk an einerseits den Rotor bzw. Rotorkopf und andererseits die Welle (z. B. Antriebswelle oder Steckwelle) angelenkt. Ein solches Bolzengelenk weist einerseits einen Gelenkzapfen und andererseits eine Gelenkaufnahme, z. B. Einsteckaufnahme für den jeweils zugeordneten Gelenkzapfen auf. Die Verbindung erfolgt über Kupplungszapfen, die in entsprechende Bohrungen der Bauteile eingesetzt sind.In such eccentric screw pumps, the coupling device z. B. formed by a coupling rod and the articulations are often designed as pin joints and / or cardan joints. To compensate for eccentric movements, the coupling rod is linked to the rotor or rotor head on the one hand and the shaft (e.g. drive shaft or stub shaft) on the other by means of a pin joint. Such a bolt joint has on the one hand a pivot pin and on the other hand a joint receptacle, e.g. B. insertion receptacle for the associated pivot pin. The connection is made via coupling pins that are inserted into corresponding holes in the components.
Eine Exzenterschneckenpumpe mit Bolzengelenken im Bereich der Kuppelstange ist z. B. aus der
Davon ausgehend beschreibt die
Alternativ zu Bolzengelenken kommen auch flexible Verbindungen zum Einsatz. So beschreibt z. B. die
Schließlich beschreibt die
Die beschriebenen Gelenkverbindungen, die in der Praxis vor allem als Bolzengelenke ausgebildet sind, haben sich bei Exzenterschneckenpumpen seit Jahrzehnten hervorragend bewährt. Sie sind jedoch weiterentwicklungsfähig. Denn die Verbindungen innerhalb der rotierenden Einheit sind im Betrieb hohen Belastungen ausgesetzt, wobei nicht nur Drehmomente übertragen werden müssen, sondern es entstehen auch hohe Axialkräfte bzw. Axiallasten innerhalb der rotierenden Einheit.The articulated connections described, which in practice are mainly designed as pin joints, have proven themselves extremely well in eccentric screw pumps for decades. However, they can be further developed. This is because the connections within the rotating unit are exposed to high loads during operation, with not only torques having to be transmitted, but also high axial forces or axial loads occurring within the rotating unit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkverbindung zu schaffen, die sich als optimierte Alternative zu herkömmlichen Gelenken insbesondere innerhalb einer Exzenterschneckenpumpe bzw. einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe einsetzen lässt und mit der bei einfacher und wirtschaftlicher Konstruktion sowohl hohe Drehmomente als auch hohe Axiallasten übertragen bzw. aufgenommen werden können.The object of the invention is to create an articulated connection that can be used as an optimized alternative to conventional joints, in particular within an eccentric screw pump or a rotating unit of an eccentric screw pump, and with which both high torques and high axial loads can be transmitted or absorbed with a simple and economical design .can be recorded.
Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung bei einer gattungsgemäßen Exzenterschneckenpumpe der eingangs beschriebenen Art, dass das erste Gelenkteil und/oder das zweite Gelenkteil (oder die mit diesen Gelenkteilen ausgerüsteten Komponenten einer rotierenden Einheit, z. B. Rotor, Rotorkopf, Welle, Kuppelstange) zumindest bereichsweise oder vollständig aus einem Werkstoff auf Basis eines thermoplastischen Hochleistungspolymers gefertigt sind. Die Gelenkverbindung besteht folglich aus Teilen oder Komponenten, die vollständig oder teilweise oder bereichsweise aus einem thermoplastischen Hochleistungspolymer oder auf Basis eines thermoplastischen Hochleistungspolymers und bevorzugt aus einem modifizierten Hochleistungspolymer bzw. Polymercompound gefertigt sind. Als Hochleistungspolymer kann ein teilkristallines und/oder aromatisches Polymer verwendet werden. Das Hochleistungspolymer kann (z. B. als Basispolymer) aromatische Molekülketten aus Paraphenylen enthalten, die sich mit Sulfidverbindungen abwechseln, und so eine teilkristalline Struktur bilden, deren Festigkeit mit steigender Temperatur zunimmt. Es kann sich z. B. um ein aromatisches Polysulfid handeln, z. B. Polyphenylensulfid (PPS). Alternativ kann es sich bei dem Hochleistungspolymer um ein aromatisches Polyetherketon (PEK) bzw. Polyaryletherketon (PAEK) handeln. Bei dem aromatischen Polyaryletherketon kann es sich z. B. um ein Polyetheretherketon (PEEK) handeln.To solve this problem, the invention teaches in a generic eccentric screw pump of the type described above that the first joint part and/or the second joint part (or the components of a rotating unit equipped with these joint parts, e.g. rotor, rotor head, shaft, coupling rod) are made at least partially or completely from a material based on a thermoplastic high-performance polymer. The articulated connection consequently consists of parts or components that are made entirely or partially or in regions from a thermoplastic high-performance polymer or based on a thermoplastic high-performance polymer and preferably from a modified high-performance polymer or polymer compound. A partially crystalline and/or aromatic polymer can be used as the high-performance polymer. The high performance polymer may contain (e.g. as the base polymer) aromatic paraphenylene molecular chains alternating with sulfide compounds to form a semi-crystalline structure that increases in strength with increasing temperature. It can be e.g. B. be an aromatic polysulfide, z. B. Polyphenylene sulfide (PPS). Alternatively, the high-performance polymer can be an aromatic polyetherketone (PEK) or polyaryletherketone (PAEK). The aromatic polyaryletherketone can be e.g. B. be a polyetheretherketone (PEEK).
Optional wird als Werkstoff des jeweiligen Gelenkteils ein modifizierter Kunststoff verwendet, der einen Basiskunststoff bzw. ein Basispolymer und einen oder mehrere Zusätze aufweist, wobei der Basiskunststoff ein thermoplastisches Hochleistungspolymer ist, z. B. eines der beschriebenen, thermoplastischen Hochleistungspolymere. Der Kunststoff kann mit einem oder mehreren Zusätzen bzw. Additiven modifiziert/verstärkt sein, die einen Betrieb bei Temperaturen von mehr als 150 °C ermöglichen, die Reibung zwischen den Komponenten verringern und/oder das Material bei hohen Belastungen verstärken, z. B. bei vorübergehenden Momentspitzen. Durch geeignete Additivierung lässt sich die Reibung verringern, das Oberflächenelastizitätsmodul reduzieren, die Hochtemperaturleistung erhöhen und/oder die selbstschmierenden Eigenschaften verbessern. Außerdem lässt sich durch ein oder mehrere Additive die Belastungsfähigkeit der Komponenten erhöhen, insbesondere gegenüber Kompressionen durch hohe Axialkräfte sowie durch Scherkräfte durch die Drehmomentübertragung während des Betriebes.Optionally, a modified plastic is used as the material of the respective joint part, which has a base plastic or a base polymer and one or more additives, the base plastic being a high-performance thermoplastic polymer, e.g. B. one of the high-performance thermoplastic polymers described. The plastic may be modified/reinforced with one or more additives that allow operation at temperatures in excess of 150°C, reduce friction between components and/or strengthen the material at high loads, e.g. B. in the case of temporary torque peaks. Appropriate additives can reduce friction, reduce the surface modulus of elasticity, increase high-temperature performance and/or improve self-lubricating properties. In addition, one or more additives can be used to increase the load-bearing capacity of the components, in particular with regard to compression due to high axial forces and shearing forces due to torque transmission during operation.
Der modifizierte Kunststoff kann als Zusatz zumindest ein reibungsminderndes Additiv aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann der modifizierte Kunststoff als Zusatz zumindest ein verstärkendes Additiv aufweisen. Bei dem verstärkenden Additiv kann es sich um Verstärkungsfasern, z. B. anorganische Verstärkungsfasern handeln, z. B. Glasfasern, Kohlenstofffasern, Basaltfasern, Borfasern, Keramikfasern, Kieselsäurefasern und/oder Quarzfasern. Als reibungsmindernden Zusatz kann der Werkstoff ein Fluorpolymer, z. B. PTFE (Teflon) enthalten. Alternativ oder ergänzend kann der Werkstoff als reibungsmindernden Zusatz zumindest einen Festschmierstoff, z. B. Graphit, Molybdändisulfid, Wolframdisulfid oder einen Festschmierstoff auf Basis von Keramik, Weichmetallen und/oder Edelmetallen oder Kombinationen davon enthalten.The modified plastic can have at least one friction-reducing additive as an additive. Alternatively or additionally, the modified plastic can have at least one reinforcing additive as an additive. The reinforcing additive may be reinforcing fibres, e.g. B. act inorganic reinforcing fibers, z. B. glass fibers, carbon fibers, basalt fibers, boron fibers, ceramic fibers, silica fibers and / or quartz fibers. As a friction-reducing additive, the material can be a fluoropolymer, e.g. B. PTFE (Teflon) included. Alternatively or additionally, the material can contain at least one solid lubricant, e.g. B. graphite, molybdenum disulfide, tungsten disulfide or a solid lubricant based on ceramics, soft metals and / or precious metals or combinations thereof.
Es ist ein besonderer Vorteil der Erfindung, dass durch die beschriebene Zusammenstellung der Materialien (Hochleistungspolymer, Verstärkungszusatz und/oder reibungsmindernder Zusatz), z. B. PEEK, PTFE und Carbon) ein Werkstoff mit hervorragenden Eigenschaften, insbesondere ein selbstschmierender Werkstoff, für die erfindungsgemäße Gelenkverbindung verwendet wird. Der erfindungsgemäße Werkstoff eignet sich exzellent für die beschriebenen Anwendungen mit Bewegung und Verschleiß und folglich für den Einsatz in Gelenken. Zudem hat der beschriebene (selbstschmierende) Werkstoff einen äußerst niedrigen Gleitreibungskoeffizienten, wodurch sich der Wartungsaufwand deutlich minimieren lässt. Dank der höheren Abriebfestigkeit gegenüber anderen Materialien lässt sich eine längere Lebensdauer der Gelenke und damit insbesondere eine längere Standzeit der Pumpe erzielen.It is a particular advantage of the invention that the composition of the materials described (high-performance polymer, reinforcement additive and/or friction-reducing additive), e.g. B. PEEK, PTFE and carbon) a material with excellent properties, especially a self-lubricating one Material used for the joint according to the invention. The material according to the invention is excellently suited for the described applications involving movement and wear and consequently for use in joints. In addition, the (self-lubricating) material described has an extremely low coefficient of sliding friction, which means that the maintenance effort can be significantly reduced. Thanks to the higher abrasion resistance compared to other materials, the joints can have a longer service life and, in particular, a longer service life for the pump.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Werkstoff des jeweiligen Gelenkteils wie folgt zusammengesetzt:
- Hochleistungspolymer (z. B. aromatisches Polymer: 30 bis 70 Gew.-%, vorzugsweise 40 bis 60 Gew.-%, z. B. 50 Gew.-%
- Verstärkungszusatz: 20 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise 30 bis 50 Gew.-%, z. B. 40 Gew.-%
- Reibungsmindernder Zusatz: 1
bis 20 Gew.-%, vorzugsweise 5bis 15 Gew.-%, z. B. 10 Gew.-%.
- High performance polymer (e.g. aromatic polymer: 30 to 70% by weight, preferably 40 to 60% by weight, e.g. 50% by weight
- Reinforcement additive: 20 to 60% by weight, preferably 30 to 50% by weight, e.g. B. 40% by weight
- Friction reducing additive: 1 to 20% by weight, preferably 5 to 15% by weight, e.g. B. 10% by weight.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass sich Gelenkverbindungen und insbesondere Komponenten einer rotierenden Einheit einer Pumpe, z. B. einer Exzenterschneckenpumpe, hervorragend aus thermoplastischen Hochleistungskunststoffen und insbesondere modifizierten thermoplastischen Hochleistungskunststoffen der beschriebenen Art herstellen lassen. Diese Materialien zeichnen sich durch hervorragende Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, günstige Reibungseigenschaften und insbesondere ein hohes Maß an Beständigkeit gegenüber verschiedensten Medien und insbesondere auch aggressiven Medien und Chemikalien aus. Damit lassen sich die beim Einsatz herkömmlicher Metalle und herkömmlicher Kunststoffe im Bereich von Gelenkverbindungen in der Praxis auftretenden Probleme vermeiden. Es kann auch auf den Einsatz von Spezialmetallen bzw. Speziallegierungen und auf den Einsatz von keramischen Produkten verzichtet werden. Die beschriebenen Komponenten lassen sich sehr wirtschaftlich mit hervorragender Qualität herstellen und montieren. Mit den beschriebenen Werkstoffen lassen sich die gleichen oder auch höhere Festigkeiten erreichen wie mit herkömmlichen metallischen Legierungen. Die Oberflächenreibung lässt sich jedoch gegenüber Metallen oder Legierungen reduzieren und insbesondere zeichnet sich der Werkstoff durch eine deutlich verbesserte Beständigkeit gegenüber aggressiven Medien und Chemikalien aus.The invention is based on the finding that articulations and in particular components of a rotating unit of a pump, z. B. an eccentric screw pump, can be produced excellently from thermoplastic high-performance plastics and in particular modified thermoplastic high-performance plastics of the type described. These materials are characterized by excellent strength, temperature resistance, favorable friction properties and, in particular, a high degree of resistance to a wide variety of media and, in particular, to aggressive media and chemicals. In this way, the problems that occur in practice when using conventional metals and conventional plastics in the area of articulated joints can be avoided. The use of special metals or special alloys and the use of ceramic products can also be dispensed with. The components described can be manufactured and assembled very economically with outstanding quality. With the materials described, the same or even higher strengths can be achieved than with conventional metallic alloys. However, the surface friction can be reduced compared to metals or alloys and in particular the material is characterized by a significantly improved resistance to aggressive media and chemicals.
Der Einsatz thermoplastischer Hochleistungskunststoffe bietet außerdem vielfältige Möglichkeiten der Fertigung und Formgebung, so dass sich Gelenkverbindungen mit optimierter Geometrie wirtschaftlich herstellen lassen.The use of thermoplastic high-performance plastics also offers a wide range of manufacturing and shaping options, so that joint connections with optimized geometry can be produced economically.
Die Gelenkverbindung kann (konstruktiv) z. B. als herkömmliche Bolzengelenkverbindung ausgebildet sein, bei der ein Gelenkzapfen in eine Gelenkaufnahme, z. B. eine Einsteckaufnahme eingreift und die Verbindung über einen zusätzlichen Kupplungszapfen realisiert wird, der in geeignete Bohrungen der Bauteile eingesetzt wird. Der erfindungsgemäße Werkstoff lässt sich folglich bei herkömmlichen Gelenkgeometrien einsetzen, insbesondere innerhalb einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe.The articulation can (constructive) z. B. be designed as a conventional pin joint connection, in which a pivot pin in a joint receptacle, z. B. engages an insertion receptacle and the connection is realized via an additional coupling pin, which is inserted into suitable holes in the components. The material according to the invention can consequently be used with conventional joint geometries, in particular within a rotating unit of an eccentric screw pump.
In besonders bevorzugter Ausführungsform wird jedoch eine neuartige, optimierte Gelenkgeometrie vorgeschlagen. So ist in bevorzugter Ausführungsform vorgesehen, dass der Gelenkzapfen eine zumindest bereichsweise sphärische oder teil-sphärische Außenkontur aufweist, in welcher über den Umfang verteilt mehrere taschenartige Vertiefungen integriert sind, zwischen denen über den Umfang verteilt mehrere, in radialer Richtung orientierte Flügel gebildet sind und
dass die Gelenkaufnahme eine (korrespondierende) zumindest bereichsweise sphärische oder (teil-)sphärische Innenkontur und mehrere von der (teil-) sphärischen Innenkontur in radialer Richtung nach innen vorkragende Vorsprünge aufweist, zwischen denen rinnenartige Ausnehmungen gebildet sind, wobei die Flügel der Gelenkzapfen in die Ausnehmungen der Gelenkaufnahme und die Vorsprünge der Gelenkaufnahme in die Vertiefungen des Gelenkzapfens greifen,
so dass (während des Betriebes) einerseits über das Zusammenwirken der (teil-)sphärischen Außenkontur und der (teil-)sphärischen Innenkontur Axialkräfte und andererseits über das Zusammenwirken der Flügel und der Vorsprünge ein Drehmoment übertragbar sind und zugleich Schwenkbewegungen zwischen dem ersten Gelenkteil und dem zweiten Gelenkteil ermöglicht werden.In a particularly preferred embodiment, however, a novel, optimized joint geometry is proposed. In a preferred embodiment, it is provided that the pivot pin has an outer contour that is at least partially spherical or partially spherical, in which several pocket-like depressions are integrated distributed over the circumference, between which several wings oriented in the radial direction are formed and distributed over the circumference
that the joint mount has a (corresponding) inner contour that is at least partially spherical or (partially) spherical and several projections that protrude inwards from the (partially) spherical inner contour in the radial direction, between which groove-like recesses are formed, with the wings of the pivot pins extending into the recesses of the joint mount and the projections of the joint mount engage in the depressions of the pivot pin,
so that (during operation) on the one hand axial forces can be transmitted via the interaction of the (partially) spherical outer contour and the (partially) spherical inner contour and on the other hand via the interaction of the wings and the projections, a torque can be transmitted and at the same time pivoting movements between the first joint part and the second joint part are made possible.
Besonders bevorzugt ist die Gelenkverbindung derart ausgestaltet, dass Axialkräfte einerseits und Drehmoment andererseits über voneinander getrennte Bereiche der Gelenkverbindung übertragen werden, indem Axialkräfte ausschließlich über das Zusammenwirken der sphärischen oder (teil-)sphärischen Außenkontur und der sphärischen oder (teil-)sphärischen Innenkontur übertragen werden und Drehmomente ausschließlich über das Zusammenwirken der Flügel und Ausnehmungen und/oder der Vorsprünge und Vertiefungen übertragen werden.The joint connection is particularly preferably designed in such a way that axial forces on the one hand and torque on the other hand are transmitted via separate areas of the joint connection, in that axial forces are transmitted exclusively via the interaction of the spherical or (partially) spherical outer contour and the spherical or (partially) spherical inner contour and torques off finally transmitted via the interaction of the wings and recesses and/or the projections and recesses.
Durch diese Maßnahmen wird eine neuartige Gelenkverbindung geschaffen, die insbesondere die herkömmlichen Bolzengelenke innerhalb einer rotierenden Einheit einer Pumpe, z. B. einer Exzenterschneckenpumpe ersetzen kann. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass Axialkräfte bzw. Druckkräfte innerhalb einer Gelenkverbindung optimal übertragen und aufgenommen werden, wenn maximale Oberflächen und folglich Gelenkflächen realisiert werden. Ferner geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass sich maximale und folglich optimale Oberflächen bei gleichzeitig minimalem Gesamtdurchmesser der Gelenkverbindung zur Übertragung maximaler Axiallasten durch eine sphärische Oberflächengestaltung, d. h. eine Kugelform bzw. Teil-Kugelform realisieren lassen. Da sich durch eine solche Gelenkgeometrie mit sphärischen Gelenkflächen zwar hohe Axialkräfte und folglich Druckkräfte aufnehmen und übertragen lassen, da jedoch ein ausschließlich sphärisches Design nicht für die Übertragung von Drehmomenten geeignet ist, wird erfindungsgemäß der sphärischen Grundform von Gelenkaufnahme und Gelenkzapfen jeweils eine Kontur zur Übertragung von Drehmomenten überlagert, indem einerseits der Gelenkzapfen mit taschenartigen Vertiefungen und Flügeln und andererseits die Gelenkaufnahme mit (korrespondierenden) Vorsprüngen und Ausnehmungen versehen ist, so dass diese Formschlusskonturen zur Übertragung von Drehmomenten flügelartig bzw. zahnradartig ineinandergreifen. So kann der Gelenkzapfen in einer bevorzugten Ausführungsform zumindest drei Flügel und drei Vertiefungen, vorzugsweise vier Flügel und vier Vertiefungen aufweisen und die Gelenkaufnahme kann zumindest drei korrespondierende Vorsprünge und drei Ausnehmungen, z. B. vier Vorsprünge und vier Ausnehmungen aufweisen. Der Gelenkzapfen kann dabei an seinem kopfseitigen Ende einen Pilzkopf bilden und folglich eine Pilzkopfform aufweisen, wobei dieser Pilzkopf eine sphärische bzw. teil-sphärische Außenkontur aufweist, die in die Außenkontur der Flügel übergeht. Die Rückseite des Pilzkopfes zwischen den Flügeln im Übergang zu den taschenartigen Vertiefungen bilden Hinterschneidungen, so dass die Verbindung bei Beanspruchung auf Zug nicht ohne Weiteres gelöst wird. Dementsprechend kann die Gelenkaufnahme an ihrem inneren Ende eine pilzkopfförmige Ausnehmung bilden, dessen sphärische Innenkontur in die Innenkontur der rinnenartigen Ausnehmungen übergeht. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Axialkräfte ausschließlich über das Zusammenwirken der sphärischen oder teil-sphärischen Außenkontur bzw. Innenkontur des Pilzkopfes und der pilzkopfförmigen Ausnehmung übertragen werden und Drehmomente ausschließlich über die hinter dem Pilzkopf bzw. hinter der pilzkopfartigen Ausnehmung angeordneten Flügel und Ausnehmungen bzw. Vorsprünge und Vertiefungen übertragen werden.Through these measures, a new articulation is created, which in particular the conventional pin joints within a rotating unit of a pump such. B. can replace an eccentric screw pump. The invention is based on the knowledge that axial forces or pressure forces are optimally transmitted and absorbed within an articulated connection if maximum surfaces and consequently joint surfaces are realized. Furthermore, the invention is based on the finding that maximum and consequently optimal surfaces with a minimum overall diameter of the articulated joint for the transmission of maximum axial loads can be achieved by a spherical surface design, i. H. a spherical shape or part-spherical shape can be realized. Since such a joint geometry with spherical joint surfaces can absorb and transmit high axial forces and consequently compressive forces, but since an exclusively spherical design is not suitable for the transmission of torque, according to the invention, the spherical basic shape of the joint mount and joint pin is given a contour for the transmission of Torques are superimposed by the pivot pin being provided with pocket-like depressions and wings on the one hand and the joint mount with (corresponding) projections and recesses on the other hand, so that these form-fitting contours mesh like wings or gears for the transmission of torques. Thus, in a preferred embodiment, the pivot pin can have at least three wings and three recesses, preferably four wings and four recesses, and the joint receptacle can have at least three corresponding projections and three recesses, e.g. B. have four projections and four recesses. The pivot pin can form a mushroom head at its head-side end and consequently have a mushroom head shape, this mushroom head having a spherical or part-spherical outer contour which merges into the outer contour of the wings. The back of the mushroom head between the wings in the transition to the pocket-like depressions form undercuts, so that the connection is not easily released when subjected to tensile stress. Accordingly, the joint mount can form a mushroom-shaped recess at its inner end, the spherical inner contour of which merges into the inner contour of the groove-like recesses. It is advantageous if the axial forces are transmitted exclusively via the interaction of the spherical or part-spherical outer contour or inner contour of the mushroom head and the mushroom-shaped recess and torques are transmitted exclusively via the wings and recesses or Projections and depressions are transferred.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Außenkontur des Gelenkzapfens in einem Querschnitt im Bereich der Flügel und Vertiefungen und folglich im Bereich, in dem Drehmomente übertragen werden, aus einer oder mehreren Zykloidkurven konstruiert. Dementsprechend kann die Innenkontur der Gelenkaufnahme in einem Querschnitt im Bereich der Vorsprünge und Ausnehmungen (ebenfalls) aus einer oder mehreren Zykloidkurven konstruiert sein. Besonders bevorzugt ist die Außenkontur des Gelenkzapfens und/oder die Innenkontur der Gelenkaufnahme jeweils aus einer Kombination aus einer Epizykloidkurve und einer Hypozykloidkurve konstruiert. Alternativ ist eine Kombination aus einer Epizykloidkurve und einer Epitrochoidkurve möglich. Die Zykloidkurve bzw. die Zykloidkurven können einer sphärischen Kontur mit gleichem Durchmesser und Ursprung überlagert sein.In a particularly preferred embodiment, the outer contour of the pivot pin is constructed from one or more cycloidal curves in a cross-section in the area of the wings and indentations and consequently in the area in which torques are transmitted. Accordingly, the inner contour of the joint mount in a cross section in the area of the projections and recesses can (likewise) be constructed from one or more cycloidal curves. Particularly preferably, the outer contour of the pivot pin and/or the inner contour of the joint mount is constructed from a combination of an epicycloid curve and a hypocycloid curve. Alternatively, a combination of an epicycloid curve and an epitrochoid curve is possible. The cycloidal curve or curves can be superimposed on a spherical contour with the same diameter and origin.
Eine Zykloidkurve ist eine Kurve bzw. Bahn, die einen Punkt auf dem Umfang eines Kreises beschreibt, wenn dieser Kreis auf einer (beliebigen) Leitkurve abrollt. Sofern es sich um einen Punkt auf dem Umfang eines Kreises handelt, der wiederum außen auf einem zweiten Kreis abrollt, wenn also die Leitkurve selbst ein Kreis ist, wird diese Zykloidkurve als Epizykloid bezeichnet. Wenn der Punkt auf dem Kreisumfang innerhalb eines zweiten Kreises abrollt, spricht man dagegen von einer Hypozykloiden. Stets entstehen diese Kurven der gewöhnlichen Zykloide dann, wenn ein Punkt, der auf dem Kreisumfang des ersten Kreises selbst liegt auf einem zweiten Kreis als Leitkurve innen oder außen abrollt. Davon zu unterscheiden sind Konstruktionen, bei denen wiederum ein erster Kreis auf einen zweiten Kreis oder in einem zweiten Kreis abrollt, wobei jedoch der Punkt, der der Konstruktion zugrunde gelegt wird, nicht auf dem Kreisumfang des ersten Kreises liegt, sondern entweder außerhalb oder innerhalb des ersten Kreises. In diesem Fall entstehen dann keine gewöhnlichen Zykloide, sondern verlängerte oder verkürzte Zykloide, die auch als Trochoide bezeichnet werden. Rollt der Kreis außen ab, entsteht ein Epitrochoid. Rollt der Kreis innen ab, entsteht ein Hypotrochoid.A cycloidal curve is a curve or trajectory that describes a point on the circumference of a circle when this circle rolls on (any) rail curve. If it is a point on the circumference of a circle, which in turn rolls on the outside of a second circle, i.e. if the directrix itself is a circle, this cycloid curve is called an epicycloid. If the point on the circumference of the circle rolls within a second circle, it is called a hypocycloid. These curves of the ordinary cycloid always arise when a point that lies on the circumference of the first circle itself rolls on a second circle as a guide curve inside or outside. This must be distinguished from constructions in which a first circle rolls onto a second circle or in a second circle, but the point on which the construction is based does not lie on the circumference of the first circle, but either outside or inside it first circle. In this case, no ordinary cycloids arise, but rather lengthened or shortened cycloids, which are also referred to as trochoids. If the circle rolls off on the outside, an epitrochoid is formed. If the circle rolls inside, a hypotrochoid is formed.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die für die Drehmomentübertragung verantwortliche Kontur im Bereich der Flügel, Ausnehmungen, Vorsprünge und/oder Vertiefungen durch eine Kombination aus einerseits einer Epizykloidkurve und andererseits einer Hypozykloidkurve konstruiert. Dazu wird auf die Figurenbeschreibung verwiesen.In a particularly preferred embodiment, the contour responsible for torque transmission in the area of the vanes, recesses, projections and/or indentations is constructed by a combination of an epicycloid curve on the one hand and a hypocycloid curve on the other. For this purpose, reference is made to the description of the figures.
Dabei geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass sich durch eine Geometrie auf Basis von Zykloiden bzw. Zykloidkurven und insbesondere durch eine Kombination verschiedenartiger Zykloidkurven eine optimierte Geometrie zur Übertragung von hohen Drehmomenten bei gleichzeitig geringem Gesamtdurchmesser der Gelenkverbindung realisieren lässt. So besteht die Möglichkeit, nicht nur die für die Kraftübertragung verantwortlichen Oberflächen zu vergrößern, sondern zugleich einen hohen Materialanteil - im Querschnitt betrachtet - auf Oberflächenbereiche zu verteilen, die eine maximale (radiale) Entfernung vom Mittelpunkt bzw. von der Achse des Gelenkes aufweisen.The invention is based on the finding that a geometry based on cycloids or cycloidal curves and in particular a combination of different types of cycloidal curves can be used to implement an optimized geometry for the transmission of high torques with a simultaneously small overall diameter of the joint connection. It is therefore possible not only to enlarge the surfaces responsible for power transmission, but also to distribute a large proportion of material - viewed in cross section - to surface areas that are at a maximum (radial) distance from the center or from the axis of the joint.
Diese für die Drehmomentübertragung optimierte Kontur auf Basis von Zykloidkurven wird erfindungsgemäß kombiniert mit einer sphärischen oder teil-sphärischen Außenkontur für die Übertragung von Druck- oder Axialkräften. Damit wird die Möglichkeit einer optimalen Übertragung von Axialkräften einerseits und Drehmomenten andererseits in einer einheitlichen Geometrie kombiniert, um eine optimierte Gelenkverbindung zu schaffen, die sich z. B. innerhalb einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe einsetzen lässt. Da durch die erfindungsgemäße Geometrie jeweils individuell ein Schwerpunkt auf Axialkräfte einerseits und Drehmomente andererseits gelegt wird, lässt sich die Gelenkverbindung und damit auch die gesamte rotierende Einheit mit geringem Durchmesser realisieren.According to the invention, this contour, which is optimized for torque transmission and is based on cycloidal curves, is combined with a spherical or part-spherical outer contour for the transmission of pressure or axial forces. This combines the possibility of an optimal transmission of axial forces on the one hand and torques on the other hand in a uniform geometry in order to create an optimized articulated connection that can be used e.g. B. can be used within a rotating unit of an eccentric screw pump. Since the geometry according to the invention places an individual focus on axial forces on the one hand and torques on the other, the articulated connection and thus also the entire rotating unit can be realized with a small diameter.
Bei der beschriebenen, optimierten Geometrie mit sphärischen Konturen einerseits und Flügeln, Vertiefungen, Vorsprüngen und/oder Ausnehmungen andererseits, handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform, welcher im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Material der Komponenten besondere Bedeutung zukommt. So lässt sich eine Gelenkverbindung mit hervorragenden Festigkeitseigenschaften, hoher Temperaturbeständigkeit, günstigen Reibungseigenschaften und/oder einem hohen Maß an Beständigkeit gegenüber verschiedensten Medien mit optimierter Geometrie schaffen, die sowohl für die einwandfreie Übertragung von Drehmomenten als auch für die einwandfreie Übertragung von Druck- oder Axialkräften optimiert ist.The described, optimized geometry with spherical contours on the one hand and wings, indentations, projections and/or recesses on the other hand is a preferred embodiment which is of particular importance in connection with the material of the components according to the invention. In this way, a joint connection with excellent strength properties, high temperature resistance, favorable friction properties and/or a high degree of resistance to a wide variety of media can be created with an optimized geometry, which is optimized for both the perfect transmission of torque and the perfect transmission of pressure or axial forces is.
In besonders bevorzugter Weiterbildung greift der Gelenkzapfen unmittelbar und ohne elastische Zwischenschicht in die Gelenkaufnahme ein, so dass die Gelenkfunktion ausschließlich durch die Geometrie des Gelenkzapfens und der Gelenkaufnahme und nicht durch elastisches Material zwischen den beschriebenen Flächen realisiert ist.In a particularly preferred development, the pivot pin engages directly in the joint mount and without an elastic intermediate layer, so that the joint function is realized solely by the geometry of the pivot pin and the joint mount and not by elastic material between the surfaces described.
Der Gelenkzapfen ist vorzugsweise einstückig ausgebildet und er kann z. B. einstückig an die Welle, z. B. Antriebswelle, Steckwelle oder dergleichen angeformt sein. In der gleichen Weise kann der Gelenkzapfen z. B. einstückig an den Rotor oder das Rotorende oder einen separaten Rotorkopf angeformt sein. Denn in einer bevorzugten Ausführungsform wird eine rotierende Einheit einer Pumpe, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe zur Verfügung gestellt, die eine angetriebene oder antreibbare Welle, einen exzentrisch zu der Welle rotierenden Rotor oder Rotorkopf und eine zwischen Welle und Rotor bzw. Rotorkopf angeordnete Kupplungseinrichtung zur Erzeugung der Exzentrizität zwischen Welle und Rotor bzw. Rotorkopf aufweist. Erfindungsgemäß ist die Welle, z. B. Antriebswelle oder Steckwelle, mit dem ersten Gelenkzapfen ausgerüstet. Der Rotor oder dessen Rotorkopf ist mit einem zweiten Gelenkzapfen ausgerüstet. Zwischen diesen Gelenkzapfen ist die Kupplungseinrichtung angeordnet, die eine herkömmliche Kuppelstange ersetzt und auch als Kuppelstange bezeichnet werden kann, wobei diese Kuppelstange sowohl antriebsseitig als auch rotorseitig jeweils eine Gelenkaufnahme aufweist, in die die (beiden) beschriebenen Gelenkzapfen gelenkig eingreifen. Diese Kupplungseinrichtung, die auch als Kuppelstange bezeichnet werden kann, kann einstückig mit den beiden Gelenkzapfen ausgebildet sein. Die Erfindung umfasst aber auch Ausführungsformen, bei denen - umgekehrt - die Kupplungseinrichtung mit einem oder mehreren Gelenkzapfen ausgerüstet ist und die Welle und/oder der Rotor mit korrespondierenden Gelenkaufnahmen.The pivot pin is preferably formed in one piece and it can z. B. in one piece to the shaft, z. B. drive shaft, stub shaft or the like. In the same way, the pivot pin z. B. integrally formed on the rotor or the rotor end or a separate rotor head. A preferred embodiment provides a rotating unit of a pump, in particular an eccentric screw pump, which has a driven or drivable shaft, a rotor or rotor head rotating eccentrically to the shaft and a coupling device arranged between the shaft and rotor or rotor head to generate the eccentricity between shaft and rotor or rotor head. According to the invention, the shaft, for. B. drive shaft or stub shaft, equipped with the first pivot pin. The rotor or its rotor head is equipped with a second pivot pin. The coupling device, which replaces a conventional coupling rod and can also be referred to as a coupling rod, is arranged between these pivot pins, with this coupling rod having an articulated receptacle both on the drive side and on the rotor side, into which the (two) described pivot pins engage in an articulated manner. This coupling device, which can also be referred to as a coupling rod, can be designed in one piece with the two pivot pins. However, the invention also includes embodiments in which—vice versa—the coupling device is equipped with one or more pivot pins and the shaft and/or the rotor with corresponding joint receptacles.
Um die Montage der Gelenkverbindungen und insbesondere die Montage einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe zu vereinfachen, wird optional vorgeschlagen, die Gelenkaufnahme aus mehreren Segmenten, z. B. aus zwei Halbschalen zusammenzusetzen, die miteinander formschlüssig und lösbar verbunden sind, z. B. miteinander verschraubt oder verrastet sind, z. B. mittels Schraubverbindung und/oder Rast- oder Schnappverbindung.In order to simplify the assembly of the articulated connections and in particular the assembly of a rotating unit of an eccentric screw pump, it is optionally proposed that the joint mount be made up of several segments, e.g. B. composed of two half-shells, which are positively and detachably connected to each other, z. B. are screwed together or locked, z. B. by means of screw connection and / or locking or snap connection.
Im Falle einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe ist z. B. eine zentrale Kupplungseinrichtung, z. B. eine Kuppelstange vorgesehen, die die beiden Gelenkaufnahmen aufweist. Diese Kuppelstange kann dann aus z. B. zwei Segmenten, z. B. zwei Halbschalen zusammengesetzt sein, so dass sich im Zuge der Montage die Gelenkzapfen, z. B. der Gelenkzapfen der Welle und der Gelenkzapfen des Rotors oder Rotorkopfes zwischen die Halbschalen setzen lässt, so dass die gelenkige Verbindung im Zuge des Zusammenfügens der beiden Halbschalen erfolgt. Die beiden Segmente bzw. Halbschalen unterscheiden sich dabei über die gesamte Länge der Kuppelstange und die Teilungsebene zwischen den Segmenten verläuft entlang der Längsrichtung der rotierenden Einheit bzw. Kuppelstange.In the case of a rotating unit of a progressing cavity pump z. B. a central coupling device, z. B. provided a coupling rod having the two joint mounts. This coupling rod can then consist of z. B. two segments, z. B. be composed of two half-shells, so that during assembly, the pivot pin, z. B. can set the pivot pin of the shaft and the pivot pin of the rotor or rotor head between the half-shells, so that the articulated connection takes place in the course of joining the two half-shells. The two segments or half-shells differ in this case over the entire length of the coupling rod and the parting plane between the segments runs along the longitudinal direction of the rotating unit or coupling rod.
Wie bereits beschrieben, kann das erste Gelenkteil mit dem Gelenkzapfen eine angetriebene oder antreibbare Welle oder Teil einer Welle sein. Das erste Gelenkteil mit dem Gelenkzapfen kann auch Teil eines Rotors oder eines Rotorkopfes sein, z. B. innerhalb einer Exzenterschneckenpumpe. Das zweite Gelenkteil mit der Gelenkaufnahme kann eine von einer Welle angetriebene oder antreibbare Kupplungseinrichtung oder Teil einer Kupplungseinrichtung sein, z. B. Teil einer Kuppelstange. Es kann eine Kuppelstange innerhalb einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe realisiert sein, die endseitig jeweils ein zweites Gelenkteil der beschriebenen Art mit der Gelenkaufnahme aufweist.As already described, the first joint part with the joint pin can be a driven or drivable shaft or part of a shaft. The first joint part with the pivot pin can also be part of a rotor or a rotor head, e.g. B. within an eccentric screw pump. The second joint part with the joint receptacle can be a shaft-driven or drivable coupling device or part of a coupling device, e.g. B. Part of a coupling rod. A coupling rod can be implemented within a rotating unit of an eccentric screw pump, each end having a second joint part of the type described with the joint mount.
Für die Übertragung des Drehmomentes ist die beschriebene Konstruktion wesentlich, die z. B. Flügel und/oder Ausnehmungen und/oder Vorsprünge und/oder Vertiefungen aufweisen kann. Diese Strukturen können in ihren jeweiligen Endbereichen z. B. spitz zulaufend unter Bildung eines sternförmigen Querschnittes oder auch abgerundet ausgebildet sein.For the transmission of torque, the construction described is essential, the z. B. may have wings and / or recesses and / or projections and / or depressions. These structures can in their respective end z. B. tapered to form a star-shaped cross-section or rounded.
Optional können in die Gelenkaufnahme Funktionsaufnahmen, z. B. Ausnehmungen integriert sein, die z. B. Zusatzkomponenten aufnehmen können. Bei solchen Zusatzkomponenten kann es sich z. B. um elektronische Bauteile, vorzugsweise Sensoren handeln. Besonders bevorzugt können diese Funktionsaufnahmen in die Segmente, z. B. Halbschalen integriert sein.Optionally, functional recordings, e.g. B. recesses can be integrated, the z. B. can accommodate additional components. Such additional components can be z. B. electronic components, preferably sensors. Particularly preferably, these functional recordings in the segments, z. B. half-shells can be integrated.
Das Gelenkteil, z. B. das erste Gelenkteil und/oder zweite Gelenkteil, welches erfindungsgemäß aus dem beschriebenen Material besteht, lässt sich durch formgebende Fertigungsverfahren, wie z. B. das Spritzgießen, Spritzpressen, Pressen oder auch Extrudieren herstellen. Optional oder ergänzend können subtraktive Fertigungsverfahren, z. B. eine spanabhebende Bearbeitung eingesetzt werden. Ferner kann die Herstellung durch ein additives Fertigungsverfahren, z. B. durch 3D-Druck erfolgen. Sofern die jeweiligen Gelenkteile Bestandteile bestimmter Komponenten einer rotierenden Einheit (z. B. Welle, Kupplungseinrichtung/Kuppelstange, Rotorkopf oder Rotor) sind, lassen sich diese Bauteile unmittelbar einstückig mit dem jeweiligen Gelenkteil durch die beschriebenen Fertigungsverfahren herstellen, z. B. eine einstückige Kuppelstange mit endseitigen Gelenkaufnahmen.The joint part, z. B. the first joint part and / or second joint part, which according to the invention consists of the material described, can be made by shaping manufacturing processes such. B. produce the injection molding, transfer molding, pressing or extrusion. Optionally or additionally, subtractive manufacturing processes, e.g. B. a machining can be used. Furthermore, the production can be done by an additive manufacturing process, e.g. B. done by 3D printing. If the respective joint parts are parts of certain components of a rotating unit (e.g. shaft, coupling device/coupling rod, rotor head or rotor), these components can be produced directly in one piece with the respective joint part using the manufacturing processes described, e.g. B. a one-piece coupling rod with joint mounts at the ends.
Erfindungsgemäß besteht vor allem die Möglichkeit, die verwendeten Bauteile, z. B. die Gelenkteile oder auch die Welle, Kuppelstange und/oder den Rotor oder Rotorkopf, nicht homogen aus einem einzigen Werkstoff zu fertigen, sondern unterschiedliche Bereiche des Werkstückes aus unterschiedlichen Werkstoffen zu fertigen, um die Eigenschaften an die jeweiligen Gegebenheiten im Bereich des Werkstückes anzupassen. So können z. B. im Bereich der Oberflächen der sphärischen Außenkontur und Innenkontur einerseits und der taschenartigen Vertiefungen und vorkragenden Vorsprünge bzw. Ausnehmungen und Flügel andererseits unterschiedliche Werkstoffe verwendet werden. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, die Festigkeit in Bereichen besonders hoher Belastung anzupassen und/oder die Reibungseigenschaften in Bereichen mit hohen Relativbewegungen anzupassen. Dazu können die erfindungswesentlichen Werkstoffe verwendet werden, und zwar mit selektiv an den jeweiligen Bereich angepassten Materialeigenschaften, indem z. B. derselbe Basiskunststoff bzw. dasselbe Basispolymer in unterschiedlichen räumlichen Bereichen der Gelenkverbindung unterschiedlich additiviert ist. So kann in Bereichen, in denen die Festigkeit im Vordergrund steht, eine Additivierung mit Verstärkungsfasern zweckmäßig sein. In Oberflächenbereichen, in denen bestimmte Reibungseigenschaften im Vordergrund stehen, kann eine entsprechende Additivierung mit reibungsmindernden Zusätzen vorgesehen sein. Insgesamt bietet die Erfindung vielfältige und variable Optimierungsmöglichkeiten.According to the invention, there is above all the possibility of using the components used, e.g. B. the joint parts or the shaft, coupling rod and / or the rotor or rotor head, not to be manufactured homogeneously from a single material, but to manufacture different areas of the workpiece from different materials in order to adapt the properties to the respective conditions in the area of the workpiece . So e.g. B. in the area of the surfaces of the spherical outer contour and inner contour on the one hand and the pocket-like depressions and projecting projections or recesses and wings on the other hand, different materials can be used. In this way, there is the possibility of adjusting the strength in areas of particularly high stress and/or adjusting the friction properties in areas with high relative movements. For this purpose, the materials essential to the invention can be used, with material properties that are selectively adapted to the respective area, e.g. B. the same base plastic or the same base polymer has different additives in different spatial areas of the joint. For example, in areas where strength is paramount, it may be advisable to add reinforcing fibers. In surface areas in which certain friction properties are important, appropriate additives with friction-reducing additives can be provided. Overall, the invention offers diverse and variable optimization options.
In diesem Zusammenhang ist die eingangs beschriebene Konstruktion vorteilhaft, bei der Axialkräfte einerseits und Drehmomente andererseits in unterschiedlichen Bereichen des jeweiligen Gelenkteils übertragen werden bzw. verschiedene Bereiche des Gelenkteils für die Übertragung unterschiedlicher Kräfte eingerichtet sind, so dass gezielt eine Anpassung der jeweiligen Fläche oder des jeweiligen Bereichs durch Auswahl eines geeigneten Werkstoffs erfolgen kann.In this context, the construction described at the beginning is advantageous, in which axial forces on the one hand and torques on the other hand are transmitted in different areas of the respective joint part or different areas of the joint part are set up for the transmission of different forces, so that the respective surface or the respective Area can be done by selecting a suitable material.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert, die lediglich ein Ausführungsbeispiel zeigen. Es zeigen
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1 eine Exzenterschneckenpumpe in einer vereinfachten Seitenansicht, -
2a bis2e einen Teil einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe nach1 in verschiedenen Ansichten, -
3a bis3d einen Rotorkopf mit einem ersten Gelenkteil in verschiedenen Ansichten, -
4a bis4d eine Kupplungseinrichtung bzw. Kuppelstange mit zweiten Gelenkteilen in verschiedenen Ansichten und -
5a bis5d eine Welle einer rotierenden Einheit mit einem ersten Gelenkteil in verschiedenen Ansichten.
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1 a progressing cavity pump in a simplified side view, -
2a until2e part of a rotating unit of a progressingcavity pump 1 in different views, -
3a until3d a rotor head with a first joint part in different views, -
4a until4d a coupling device or coupling rod with second joint parts in different views and -
5a until5d a shaft of a rotating unit with a first joint part in different views.
In
Jede dieser beiden Gelenkverbindungen 1 weist jeweils ein erstes Gelenkteil A auf, das einen endseitigen Gelenkzapfen 10 aufweist und ein zweites Gelenkteil B, das eine endseitige Gelenkaufnahme 11 aufweist, wobei der Gelenkzapfen 10 des ersten Gelenkteils A zur Übertragung von Axialkräften und Drehmomenten gelenkig in die Gelenkaufnahme 11 des zweiten Gelenkteils B eingreift. Der Ausgestaltung dieser Gelenkteile A, B bzw. der Gelenkaufnahme 11 und des Gelenkzapfens 10 kommt erfindungsgemäß besondere Bedeutung zu.Each of these two
So ist vorgesehen, dass der Gelenkzapfen 10 eine zumindest bereichsweise sphärische oder teil-sphärische Außenkontur 12 aufweist, in welcher über den Umfang verteilt mehrere taschenartige Vertiefungen 14 integriert sind, zwischen denen über den Umfang verteilt mehrere, in radialer Richtung orientierte Flügel 15 gebildet sind. Dementsprechend weist die Gelenkaufnahme 11 eine korrespondierende, zumindest bereichsweise sphärische oder teil-sphärische Innenkontur 13 und mehrere von dieser Innenkontur in radialer Richtung nach innen vorkragende Vorsprünge 16 auf, zwischen denen rinnenartige Ausnehmungen 17 gebildet sind. Die Flügel 15 des Gelenkzapfens 10 greifen in die Ausnehmungen 17 der Gelenkaufnahme 11 und die Vorsprünge 16 der Gelenkaufnahme 11 greifen in die Vertiefungen 14 des Gelenkzapfens 10. Auf diese Weise werden während des Betriebes und folglich während der Rotation der rotierenden Einheit 2 einerseits über das Zusammenwirken der sphärischen Außenkontur 12 und der sphärischen Innenkontur 13 Axialkräfte übertragen/aufgenommen und andererseits über das Zusammenwirken der Flügel 15 und der Vorsprünge 16 ein Drehmoment übertragen und zugleich werden durch diese Konstruktion Schwenkbewegungen zwischen dem ersten Gelenkteil A und dem zweiten Gelenkteil B ermöglicht.It is provided that the
Die dargestellte Ausführungsform zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass Axialkräfte einerseits und Drehmoment andererseits über voneinander getrennte Bereiche der Gelenkverbindung 1 übertragen werden. Denn Axialkräfte werden ausschließlich über das Zusammenwirken der sphärischen oder teil-sphärischen Außenkontur 12 und der sphärischen oder teil-sphärischen Innenkontur 13 aufgenommen oder übertragen. Demgegenüber werden Drehmomente ausschließlich über das Zusammenwirken der Flügel 15 und Ausnehmungen 17 und/oder der Vorsprünge 16 und Vertiefungen 14 übertragen.The illustrated embodiment is characterized above all by the fact that axial forces on the one hand and torque on the other hand are transmitted via regions of the articulated
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Gelenkzapfen 10 vier Flügel 15 und vier Vertiefungen 14 auf und die Gelenkaufnahme 11 weist vier Vorsprünge 16 und vier Ausnehmungen 17 auf, so dass eine vierflüglige Geometrie zur Übertragung der Drehmomente realisiert ist. Dabei ist in den Figuren erkennbar, dass der Gelenkzapfen 10 an seinem kopfseitigen Ende einen Pilzkopf 18 bildet, dessen sphärische Außenkontur 12 in die Flügel 15 übergeht. Die Rückseite des Pilzkopfes 18 zwischen den Flügeln 15 bilden im Übergang zu den taschenartigen Vertiefungen 14 eine Hinterschneidung 20. Die Gelenkaufnahme 11 bildet an ihrem inneren Ende eine pilzkopfförmige Ausnehmung 19, deren sphärische Innenkontur 13 in die Innenkontur der rinnenartigen Ausnehmungen 17 übergeht. Damit werden Axialkräfte ausschließlich über das Zusammenwirken der sphärischen Konturen 12, 13 des Pilzkopfes 18 bzw. der pilzkopfförmigen Ausnehmung 19 übertragen. Drehmomente werden ausschließlich über die hinter dem Pilzkopf 18 und hinter der pilzkopfartigen Ausnehmung 19 angeordneten Flügel 15 und Ausnehmungen 17 sowie Vorsprünge 16 und Vertiefungen 14 übertragen.In the exemplary embodiment shown, the
Aus den Zeichnungen wird folglich sehr gut (beispielhaft) deutlich, dass die Konstruktion unterschiedliche Bereiche für die Übertragung von Axialkräften einerseits und Drehmomenten andererseits zur Verfügung stellt. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass einerseits über die sphärischen Konturen optimal Axialkräfte, z. B. Druckkräfte übertragen werden bzw. solche Axialkräfte aufgenommen werden, die in einer rotierenden Einheit einer Exzenterschneckenpumpe von enormer Bedeutung sind und gegebenenfalls deutlich höher oder gegebenenfalls auch mehrere Größenordnungen höher sein können als die zu übertragenden Drehmomente. Die flügelartige Konstruktion zur Übertragung der Drehmomente ist gleichsam in die sphärische Kontur integriert bzw. dieser überlagert. Durch diese Konstruktion lassen sich trotz der sphärischen Konturen, die eigentlich für die Übertragung von Drehmomenten nicht geeignet sind, Drehmomente übertragen.The drawings therefore make it very clear (by way of example) that the construction provides different areas for the transmission of axial forces on the one hand and torques on the other. Of particular importance is the fact that, on the one hand, axial forces, e.g. B. compressive forces are transmitted or such axial forces are absorbed, which are of enormous importance in a rotating unit of an eccentric screw pump and may be significantly higher or possibly several orders of magnitude higher than the torques to be transmitted. The wing-like construction for transmitting the torque is integrated into the spherical contour or superimposed on it. Despite the spherical contours, which are actually not suitable for the transmission of torque, this construction allows torque to be transmitted.
In der dargestellten, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die flügelartigen Konstruktionen zur Übertragung des Drehmomentes durch eine besonders vorteilhafte Geometrie gekennzeichnet, denn die Außenkontur 12 des Gelenkzapfens 10 ist in einem Querschnitt im Bereich der Flügel 15 und der Vertiefungen 14 aus einer oder aus mehreren Zykloidkurven konstruiert. Gleiches gilt für die Innenkontur 13 der Gelenkaufnahme 11, die in einem Querschnitt im Bereich der Vorsprünge 16 und Ausnehmungen 17 aus einer oder aus mehreren Zykloidkurven konstruiert ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Außenkontur 12 und die Innenkontur 13 jeweils aus einer Kombination aus einer Epizykloidkurve und einer Hypozykloidkurve konstruiert. Diese Ausgestaltung ist vor allem deshalb vorteilhaft, weil für die Übertragung der Drehmomente eine hohe Oberfläche zur Verfügung gestellt wird und dennoch maximal Material und Oberfläche in Bereichen der Verbindung, die in radialer Richtung weit weg von der Rotationsachse positioniert sind. Denn in diesen Bereichen, die im Zuge der Rotation in radialer Richtung weit entfernt vom Mittelpunkt bzw. von der Rotationssachse liegen, entstehen maximale Kräfte, die durch die erfindungsgemäße Konstruktion gut aufgenommen werden.In the illustrated, preferred embodiment of the invention, the wing-like constructions for transmitting the torque are characterized by a particularly advantageous geometry, because the
Im Übrigen ist in den Figuren erkennbar, dass die Kuppelstange 8 und damit auch die darin integrierten Gelenkteile B mit den Gelenkaufnahmen 11 aus jeweils zwei Segmenten 11A, 11A zusammengesetzt sind, die Halbschalen bilden und die miteinander formschlüssig und lösbar verbunden sind, z. B. miteinander verschraubt oder auch durch eine Schnappverbindung verrastet werden. Dadurch lässt sich die rotierende Einheit 2 einfach montieren. Moreover, it can be seen in the figures that the
Erfindungsgemäß sind die in den Figuren dargestellten Bauteile A und B und insbesondere den Rotorkopf 6, die Welle 7 und die Kuppelstange 8 (bereichsweise oder vollständig) aus einem thermoplastischen Hochleistungspolymer oder auf Basis eines thermoplastischen Hochleistungspolymers gefertigt, bei dem es sich z. B. um ein teilkristallines und/oder aromatisches Polymer handeln kann, z. B. PPS, PAEK oder PEEK. Bevorzugt wird als Werkstoff für diese Komponenten ein modifizierter Kunststoff verwendet, der einen Basiskunststoff und einen oder mehrere Zusätze aufweist, wobei der Basiskunststoff das beschriebene Hochleistungspolymer sein kann. Als Zusätze kommen z. B. ein reibungsminderndes Additiv und/oder ein verstärkendes Additiv infrage, wobei es sich bei dem verstärkenden Additiv z. B. um Verstärkungsfasern handeln kann. Als reibungsminderndes Additiv kann ein Fluorpolymer, zum Beispiel PTFE, verwendet werden.According to the invention, the components A and B shown in the figures and in particular the
Die dargestellten Komponenten 6, 8 und/oder 7 lassen sich auf Basis eines Hochleistungskunststoffes durch Spritzgießen, Spritzpressen, Formpressen oder Extrudieren oder auch durch ein additives Fertigungsverfahren, z. B. durch 3D-Druck herstellen. Dabei besteht auch die Möglichkeit, unterschiedliche Bereiche der Bauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften zu konstruieren, so dass z. B. stark beanspruchte Bereiche aus einem Werkstoff mit höherer Festigkeit und Bereiche mit hohen Relativbewegungen mit reibungsmindernden Eigenschaften gefertigt werden können. Dazu können die Komponenten z. B. auf der Basis desselben Basispolymers gefertigt werden und zugleich eine unterschiedliche Additivierung in unterschiedlichen Bereichen zur Anpassung an die gewünschten Eigenschaften erfolgen.The
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