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Spanlos gefertigte elastische und schwingungsdämpfende Spannelemente
Es ist bekannt, Naben und andere maschinenteile auf Wellen, Achsen oder sonstigen
Maschinenelementen mit Hilfe von Ringen aus Flußstahl, die mit einem keilförmigen
Querschnitt ausgeführt werden, dadurch auf zuspannen, daß die keilförmigen Plächen
durch entsprechende Vorrichtungen gegeneinander angezogen werden.
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Diese aus Flußstahl gefertigten Ringe haben verschiedene wirtschaftliche
und technische Nachteile: Die Fertigung der Ringe aus Flußstahl ist teuer, da sie
spangebend mit großer Genauigkeit erfolgen muß. Die Wellen, Achsen und sonstigen
Iwaschinenelemente haben die unterschiedlichsten Durchmesser in Millimeter- und
Zollmaßen, so daß eine wirtschaftliche Fertigung in großen Stückzahlen selten möglich
ist, es sei denn, der Hersteller nähme ein überaus großes Vorratslager mit vielen
unterschiedlichen Ringgrößen in Kauf, für das große Räume benötigt und große Kapitalien
festgelegt werden.
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Trotzdem wird es nicht möglich sein, alle Ringgrößeb vorrätig zu halten,
so daß in vielen Fällen unwirtschaftliche Fertigungen durchgeführt werden müssen
oder die verlangten Liefertermine nicht eingehalten werden können. Es kommt noch
hinzu, daß zum Teil geschlossene und zum Teil in zwei Hälften unterteilte Ringe
benötigt werden wie unter anderen für Gelenkwellen, bei denen die Gelenkköpfe einen
größeren Durchmesser haben als der Wellenschaft, auf dem die Spannelemente sitzen.
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Ein weiterer Nachteil ist der geringe Reibungsbeiwert zwischen den
aus Flußstahl gefertigten Wellen und den aus Flußstahl hergestellten Ringen, der
in günstigen Fällen Werte bis ungefähr µ = = 0,1 erreicht. Dieser an sich geringe
Reibungsbeiwert setzt der Übertragung großer Drehmomente Grenzen.
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Weiter werden viele Wellen insbesondere bei großen Durchmessern und
niedrigen Drehzahlen zur Herabsetzung der Fertigungskosten mit großen Fertigungstoleranzen,
geringer Oberflächengüte und geringer Rundlaufgenauigkeit ausgeführt, so daß die
Spannringe aus Flußstahl, die in nur geringen Ausmaßen verformbar sind,
unvollkommen
auf der Wellenoberfläche aufliegen, örtlich überlastet und verklemmt werden, wodurch
infolge örtlichen Verschleißes vor allem die Lebensdauer der Spannringe herabgesetzt
wird, Die Flußstahlringe haben außerdem den Nachteil, daß sie nicht schwingungsdämpfend
wirken, so daß bei Antrieben, die Stößen und Schwingungen ausgesetzt sind, diese
ungedämpft auf die aurgespannten Teile übertragen werden, aie dadurch schwerer ausgeführt
werden müssen und einen größeren Verschleiß haben.
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Die nachstehend beschriebene Erfindung beseitigt die vorher erwähnten
Nachteile dadurch, daß die Spannelemente anstelle aus Flußstahl aus Werkstoffen
mit großer Verformbarkeit ausgeführt werden wie unter anderen aus Leichtmetailen
und Kunststoffen.
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An Vorteilen ergeben sich dadurch: Die Fertigung der Spannringe wie
beispielsweise aus Kunststoffen ist billig, da die Ringe aus spanlos gefertigten
Profilen, die in geraden handelsüblichen Längen oder in Form von aufgewickelten
Bunden geliefert werden, dadurch hergestellt werden, daß die für den jeweiligen
Wellenumfang benötigte Länge von der Profilstange oder vom Profilbund abgeschnitten
und um die Welle oder in die Nabe gelegt werden. Die Verformbarkeit der verwendeten
Werkstoffe ist groß genug, um von Hand als Ring verformt und aufgelegt zu werden,
umsomehr als mit abnehmendem Wellendurchmesser Höhe und Breite der Profile abnehmen.
So werden für die Wellendurchmesser von ungefähr 150 bis 1000 mm bei Kunststoffen
nur fünf Profile mit unterschiedlicher Höhe und Breite benötigt gegenüber 41 verschiedenen
Spannringen aus Flußstahl für den Durchmesserbereich von 250 bis 1000 mm.
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Der Reibungsbeiwert zwischen Stahl und Kunststoffen wie Vulkolan oder
Perbunan ist ungefähr 9 bis 4 mal so groß wie zwischen Stahl und Stahl, so daß größere
Drehmomente übertragen werden können.
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Der aus Werkstoffen mit großer Verformbarkeit gefertigte Spannring
paßt sich den Ungenauigkeiten der Wellenoberfläche an, so daß keine örtlichen Überlastungen
und keine örtlichen Verschleißerscheinungen
auftreten können, wodurch
die Lebensdauer der Spannringe erhöht wird.
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Die Spannringe aus Werkstoffen mit großer Verformbarkeit sind Stoß-
und schwingungsdämpfend, so daß die aufgespannten Teile leicht ausgeführt werden
können, ein nur geringer Verschleiß der Teile auftritt und die Lebensdauer dadurch
erhöht wird, wenn es sich um Antriebe handelt, die Stößen und Schwingungen ausgesetzt
sind.
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Die keilförmige Ausführung der Spannringe ergibt verschiedene Dicken
des Querschnittes. Um eine gleichmäßige Anpressung des Ringes über seine ganze Breite
gegen Welle und Nabe zu erreichen,muß die Steigung der Keilfläche des Spannringes
der Verformbarkeit des jeweils verwendeten Werkstoffes angepasst werden.
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In Abbildung 1 ist der Querschnitt eines Spannringes schematisch dargestellt.
Der zwischen der Welle 1 und der Nabe 2 durch Anziehen der Schrauben 4 des Druckringes
3 allseitig eingespannte Spannring 5 hat im eingebauten Zustand die Steigung t.
Die Breite B des Spannringes 5 ist so bemessen, daß im eingebauten Zustand, wenn
der Ring bereits unter Spannung steht, um das Drehmoment übertragen zu können, zwischen
dem Druckring 3 und der Nabe 2 noch der Zwischenraum b zum Nachziehen der Schrauben
4 übrigbleibt, um die Nabe 2 ausrichten oder zu einem späteren Zeitpunkt den Spannring
5 stärker einklemmen zu können. Im Bereich b ist der Spannring 5 zylindrisch ausgeführt,
um beim weiteren Einklemmen unzulässige Kantenpressungen auf der keilförmigen Tragfläche
des Spannringes 5 zu vermeiden.
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Abbildung 2 zeigt den Querschnitt im nicht eingebauten Zustand.
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Die Höhe H 1 ist um das Maß r größer als das Maß H in Abbildung 1.
Die Höhe h 1 ist um das Maß f größer als das Maß h in Abbildung 1.
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Die Maße F und f errechnen sich aus der Verformung, die sich aus dem
jeweiligen Elastizitätsmodul des verwendeten Werkstoffes,
Kunststoffe
haben bei unterschiedlichen Härten einen verschieden hohen Elastizitätsmodul, aus
der zugelassenen Druckspannung und aus den Höhen H 1 und h 1 ergibt, so daß die
Flächenpressung zwischen Welle und Spannring im eingebauten Zustand bei H und h
in Abbildung 1 gleich groß ist. Das ist zur Erzielung der größtmöglichen Lebensdauer
des Spannringes erforderlich. Die Höhe der Flächenpressung zwischen Welle und Spannring
bestimmt unter Berücksichtigung des Reibungbeiwertes zwischen den beiden Werkstoffen
die Größe des übertragbaren Drehmomentes.
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Der Steigungswinkel α1 ist größer als der Steigungewinkel α,
Abbildung 3 zeigt den Einbau einer geteilten oder ungeteilten Nabe mit zwei Spannringen
an den Nabenenden.
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Die Spannringe 1 mit je einer einseitigen Neigung sind an den Enden
der Nabe 2 mit ebenfalls einseitig geneigten Flächen eingebaut und sitzen mit den
zylindrischen Innenflächen auf der Welle 3. Über die Druckringe 4 werden die Spannringe
1 durch Anziehen der Schrauben 5 fest gegen die geneigten Flächen 6 der Nabe 2 und
gegen die zylindrische Oberfläche der Welle 3 gepreßt, so daß Nabe 2 und Welle 3
fest miteinander verbunden sind.
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Abbildung 4 zeigt den Einbau einer geteilten Nabe mit zwei Spannringen
innerhalb der Nabe.
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Die beiden geteilten Spannringe 1 mit einer doppelseitigen Neigung
der Außenfläche sind im Abstand E von den Enden der Nabe 2 angeordnet. Die Nabe
2 ist entsprechend ausgebohrt. Durch Anziehen der Verbindungsschrauben in den Flanschen
der beiden Nabenhälften werden die Nabenhälften 2 gegen die Spannringe 1 gepreßt
und diese wiederum gegen die Wellenoberfläche 3, so daß die Nabe 2 fest mit der
Welle 3 verbunden ist und Drehmomente übertragen werden.
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Die Länge der Spannringprofile, die als Ring um die Welle gelegt oder
als Ringhälrten in die Nabenhälften eingebracht werden, errechnet sich aus dem Durchmesser
der Welle zuzüglich
dem doppelten Schwerpunktsabstand der Spannprofile
von Oberfläche Welle. Die Länge wird so bemessen, daß im eingebauten Zustand zwischen
den Profilenden ein Zwischenraum je nach Durchmesser der Welle von 3 bis 8 mm vorhanden
ist.
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Es ist auch möglich, bei Spannringen aus Werkstoffen mit einer größeren
Festigkeit und einer entsprechend geringeren Verformungsmöglichkeit Halbringe zu
pressen oder zu gießen, deren Verformbarkeit für einen größeren Durchmesserbereich
ausreichend ist, etwa zwischen 425 bis 600 mm. Die Ringe werden dabei für den größten
Durchmesser gefertigt, für kleinere Durchmesser getrennt, entsprechend gebogen und
an einem Ende gekürzt.
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Auch bei diesem Fertigungsverfahren reichen fünf Ringe mit unterschiedlichem
Durchmesser, unterschiedlicher Breite und Höhe der Profile für Durchmesserbereiche
der Wellen von ungefähr 150 bis 1 000 mm bei Kunststoffen aus.
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Das Fließen des Werkstoffes bei Kunststoffen wird dadurch verhindert,
daß die Ringe bis auf geringe Spiele fest umklammert werden.
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In Betrieben, in denen die Ringe, wenn sie aus Kunststoffen oder anderen
gegen chemische Reaktionen anfälligen Werkstoffen gefertigt sind, dem Einfluß werkstoff-schädigender
oder -zerstörender Medien ausgesetzt sind, werden entsprechende Schutzmaßnahmen,
Dichtungsringe und andere, vorgesehen.
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Die in Abbildung 2 für Spannelemente mit einseitiger Neigung zur Erzielung
einer gleichmäßigen Flächenpressung angewandten Maßnahmen werden auch für Spannelemente
mit zweiseitiger Neigung nach Abbildung 4 vorgesehen.
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Aus den Profilen und Ringen der Spannelemente, die als Grundelemente
anzusehen sind, können die eigentlichen Spannelemente auch in anderen geometrischen
Formen als Kreise oder Halbkreise spanlos hergestellt werden, In Sonderfällen können
die Grundelemente zur Erzielung größter Maßgenauigkeit durch Schälen, Kalibrieren
oder gleichwertige Arbeitsverfahren mechanisch nachbearbeitet werden.