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Spann-Nabe und Verfahren zu deren Herstellung Die vorliegende Erfindung
betrifft ein zum dreh- und schiebefesten Aufspannen von Maschinenteilen auf glatten
Wellen grosser Durchmessertoleranz geeignetes Maschinenelement, das als Spann-Nabe
zu bezeichnen ist.
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Der Einsatz dieser Spann-Nabe erfolgt auf gezogenen oder geschliffenen
Wellen, die keinerlei Nacharbeit benötigen, oder auf nachgedrehten Wellen, in Reparaturfällen,
die ein Untermass bis 1,50 % des Nenndurchmessers des Spannkäfigs aufweisen können.
Am Maschinenteil, das auf der Welle befestigt wird, ist nur eine cylindrische Passbohrung
der Toleranz H7 anzubringen, in welcher
die genannte Spann-Nabe
mittels eines unter Luftabschluss aushärtenden Klebers (Loctite, Casco, Araldit
u. dergl.) festgeklebt wird. Nach Ablauf der Härtungszeit ist die Verbindung belastbar.
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Falls diese Befestigungsweise nicht in Frage kommt, ist eine Spnn-Nabe
mit einem einseitigen Mehrlochflansch zu verwenden. Bei dieser Ausführung hat der
Kunde jedoch mehrere Gewindelöcher im zu befestigenden Maschinenteil herzustellen.
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Die erfindungsgemässe Spann-Nabe ist gekennzeichnet durch einen am
Wellenumfang anliegenden, rohrförmigen, an einer Stelle längsgeschlitzten Spannkäfig,
dessen Mantelfläche sich aus einem Cylindermantel und zwei je auf einer Stirnseite
angesetzten Kegelmänteln zusammensetzt, dessen Bohrung sich dem Wellendurchmesser
anpasst, der peripher leicht verformbar gemacht ist, durch den vorgenannten Längsschlitz
und eine Anzahl achsial auf etwa halbe Wandstärke eingearbeitete, äussere Nuten,
die beidseitig in offene Stirnschlitze auf mindestens der ganzen achsialen Kegellänge
übergehen, um die beiden Rohrkegei in eine Zahl von gerundeten Radialkeilen aufzuteilen,
die mittels zweier je an einer der Kegelzonen anliegender, geschlossener Spannringe
mit kegeligen Bohrungen durch Anziehen einer Anzahl achsial angeordneter Spannschrauben
oder hydraulisch auf den Wellenumfang gepresst werden, wodurch ein reibschlüssige
Drehmomentverbindung zwischen der Welle und den beiden Spannringen entsteht, von
welchen mindestens der eine achsial verschiebbar, jedoch unverdrehbar in der Nabenhülse
angeordnet ist.
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Die Erfindung wird nun näher erläutert, anhand einiger in der Zeichnunq
dargestellter Ausführungsbeispiele der Spann-Nabe.
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Fig. 1 zeigt eine Stirnansicht der ersten Ausführungsform, Fig. 2
zeigt einen Axialschnitt nach Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 und 4 zeigen eine Stirnansicht
bzw. einen Schnitt nach Linie IV-IV in Fig. 3, Fig. 5 und 6 dienen der Erläuterung
des Erfindungsgedankens, Fig. 7 und 8 zeigen eine Stirnansicht und einen Axialschnitt
einer Ausführungsform mit hydraulischer Spannung, Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch
eine weitere Ausführungsvariante, und Fig. 10 zeigt eine Stirnansicht einer Ausführungsvariante
des Spannkäfigs.
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Als wichtigster Teil der Spann-Nabe ist der aus einem Stück Rohr als
Ausgangsform hergestellte Spannkäfig, Figur 3 und 4, zu betrachten. Er besteht aus
einem cylindrischen Mittelteil 17 und zwei seitlichen Kegelzonen 13. Durch eine
bestimmte Anordnung von Nuten 16 und Schlitzen 15 wird der Rohrkörper in Umfangsrichtung
leicht verformbar gemacht, sodass er sich auch grossen Wellentoleranzen anpassen
kann. Der durchgehende Schlitz 18 ermöglicht diese Durchmesser-Anpassung, im gespannten
Zustand ist er je nach Untermass mehr oder weniger offen, beim Erreichen der untersten
Abmessung
der Welle schliesst er sich. Die Nuten 16 reichen bis mindestens in eine Tiefe von
halber Rohrwanddicke und setzen sich im Bereich der Kegelzonen als stirnseitige
Schlitze 15 fort.
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Der rohrförmige Spannkäfig teilt sich dadurch auf in eine, aus bearbeitüngstechnischen
Gründen, vorzugsweise gerade Anzahl von Doppel-Radialkeilen 14. Wesentlich ist dabei,
dass diese Radialkeile sich im kegeligen Bereich nicht berühren können, was durch
die stirnseitigen Schlitze 15 erreicht wird. Ein nur an einer Steile unterbrochener
Kegelmantel (Kegelabwicklung) passt aus stereometrischen Gründen nur in einer einzigen,
bestimmten Längslage in eine gegebene kegelige Bohrung, was mittels eines entsprechenden
Modells bewiesen werden kann. Ein Spannkäfig, der sich verschiedenen Wellentoleranzen
anpassen soll, darf deshalb keine geschlossenen oder nur an einer Stelle geschlitzten
Kegelflächen aufweisen. Figur 5 zeigt die Abwicklungen der-Mantelflächen eines Spannkäfigs
ohne Schlitze. Hier würden sich beim Abwickeln der Mantelflächen in eine Ebene die
beiden Kegelmäntel 22 vom Cylindermant tel 23 lösen, denn ein solcher Mantel ist
nicht in eine Ebene abwickelbar. Figur 6 zeigt dagegen den gleichbemessenen Spannkäfig,
jedoch mit Schlitzen 15 versehen, wodurch unabhängige Einzelkeile 14 entstehen,
die nur in der mittleren, cylindrischen Partie 17 miteinander verbunden sind. Dadurch
wird der Mantel abwickelbar. In der Abwicklung werden die Schlitze 15 zu keilförmigen
Unterbrechungen 15',die kegeligen Radialkeile 14 zu flachen Mantelteilen 14', der
Cylindermantel 17 wird zum Rechteck 17'. Die einzelnen Doppel-Radialkeile 14 sind
durch dünne Verbindungsstege 17" miteinander verbunden. Damit ist der Beweis erbracht,
dass ein kegelförmiges Spannorgan nur bei Aufteilung der Kegelfläche in einzelne,
sich
peripher nicht berührende Teilstücke in verschiedenen axialen
Stellungen relativ zu einem festen Spannring mit konischer Bohrung gleichmässig
spannen kann. Die einzelnen Radialkeile spannen beim Nennmass der Welle, also ohne
Untermass derselben, einwandfrei, d.h. die kegeligen Rücken der Einzelkeile tragen
gleichmässig, die Flächenpressung ist konstant. Bei Wellen-Untermass fahren die
Radialkeile tiefer in die Spannringe und es ergibt sich auf den einzelnen Kegelflächen
der Keile eine geänderte Druckverteilung, wobei je Einzelkeil jedoch ein symmetrisches
Druckbild bezüglich der Längsachse entsteht, was für die Spannfunktion Bedingung
ist. Je tiefer die Kegelflächen in die Spannringe einfahren, desto stärker ändert
sich die Druckverteilung, doch ist dies für die Drehfestigkeit der Verbindung nicht
nachteilig, wie Versuche ergeben haben.
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Erst bei einem Wellen-Untermass von mehr als 2 % gegenüber dem Nennmass
ergeben sich ungünstige Druckvertelungen an den Keilen, weshalb die höchstzulässige
Wellentoleranz- auf minus 1,5 % festgelegt wurde. Die Breite der cylindrischen Mittelpartie
des Spannkäfigs nimmt an der Spannfunktion nicht teil, da die konischen Spannringe
nicht auf den cylindrischen Bereich wirken können.
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Die weiteren Funktionen zeigen die Figuren 1 und 2. Auf die Kegelflächen
13 des Spannkäfigs wirken die geschlossenen Spannringe 2 und 5, mit konischen Bohrungen
3,bzw. 6.. Der Spannring 2 ist fest verbunden mit der äusseren Nabenhülse 1 und
liegt an einer Schulter 4, der Spannring 5 ist dagegen mit leichtem Gleitsitz im
Innendurchmesser 7 der Hülse 1 achsial verschiebbar. Dies ist ein wesentliches Merkmal
der Spann-Nabe, denn dadurch entstehen nur in den Kegelflächen beim Spannen achsiale
Reibungskräfte.
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Damit die Hälfte des Gesamtdrehmomentes vom Spannring 5 an die Nabenhülse
1 übertragen werden kann, sind vier Rundkeile 12 in Bohrungen 11 angeordnet, die
je hälftig im Spannring 5 und in der Nabenhülse 1 verbohrt werden.
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Um ohne diese Rundkeile auszdkõmmen, müsste der Spannring 5 an einer
Stelle des Umfangs geschlitzt sein Dann würde er'beim Spannen expandieren und somit
einen Reibungsschluss an der Bohrung 7 der Nabenhülse 1 erzeugen. Diese Ausführung
hätte jedoch den Nachteil, dass der expandierende Spannring 5 eine sehr grosse,
achsiale Reibkraft zwischen Aussendurchmesser des Rings 5 und der Bohrung 7 der
Nabenhülse 1 erzeugen wurde, sodass der grosste Teil des Schraubenzuges der vier
Spannschrauben 9 nur zur Ueberwindung dieser'schädlichen Reibkraft aufgezehrt wurde.
Durch den geschlossenen Ring 5 kann der grösste Teil der Schraubenkräfte direkt
in radiale Spannkraft umgesetzt werden. Die vier Rundkeile 12 sorgen gleichzeitig
dafür, dass der Spannring 5 sich relativ zum Spannring 2 nicht verdrehen kann. Dadurch
können die Schrauben 9 nicht verbogen werden und ausserdem bleibt der Spannkäfig
frei von Verdrehung in sich selbst, d.h. der linke Kegel 13 wird nicht gegenüber
dem rechten Kegel 13 verdreht, der Käfig ist verdrillungsfrei. Im Spannkäfig wirken
bei der Beanspruchung durch ein äusseres Drehmoment nur Schubkräfte, in Umfangsrichtung,
die Kegelflächen werden relativ zur Bohrung des Spannkäfigs verdreht, sodass Schubspannungen
entstehen, gleichmässig über die Käfigbreite verteilt, und alle in gleicher Richtung.
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Die Spannschrauben 9 spannen gleichzeitig den linken und den rechten
Spannring, wodurch die Schraubenkräfte zweifach ausgenützt
werden.
Beim Anspannen der Nabe verschiebt sich die Nabenhülse achsial gegenüber dem Spannkäfig,
da sie mit nur einem der beiden Spannringe achsial fest verbunden ist. Die Verschiebung
wird mit zunehmendem Untermass der Wellen grösser.
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Beim Lösen der Spannschrauben 9 halten sich die Spannringe 2, 5 infolge
des kleinen Kegelwinkels zunächst noch in Spannstellung, infolge der selbsthemmenden
Radialkeile. Erst durch Anziehen der beiden Abdrückschrauben 10 löst sich die Spannung.
Ein Sicherungsring 30 wird nicht belastet, er soll nur die vier Rundkeile 12 am
Herausfallen aus der Nabe, im unbelasteten Zustand derselben, hindern. Die Anordnung
zweier Spannkegel und das gleichzeitige Spannen beider Spannringe ergeben einen
guten Planlauf der gespannten Nabe und des befestigten Maschinenteils.
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Die Zugkräfte der Spannschrauben 9 können durch eine hydrostatische
Spannkraft ersetzt werden, indem ein ringförmiger, hydrostatischer Spanncylinder
und ein Ring-Kolben mit passender Nutring-Dichtung in der Spann-Nabe angeordnet
werden. Die Figuren 7 und 8 zeigen eine hydrostatisch gespannte Spann-Nabe. Der
Spannkäfig ist gleich jenem der mechanisch gespannten Nabe. Abweichend hiervon sind
die beiden Spannringe 2' und 5', die hier keine Gewinde- und Durchgangslöcher haben.
Nur für die Abdrückschrauben 10 sind Gewindelöcher vorgesehen.
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Der Nabenflansch 31 der Nabenhülse 1' weist einen ringförmigen Cylinderraum
35 auf, in welchem ein Ring-Kolben 36 und ein Nutring 37 angeordnet sind. Der Ringraum
35 wird über einen Schmiernippel 32, mit Rückschlagventil, mit einem besonderen
Schmierfett gefüllt,
wobei anfänglich die gegenüber liegende Entlüfterschraube
33 gelöst bleibt, damit alle Luft aus dem Ringraum entweichen kann.
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Erst nach -dem Austreten von Fett wird die Schraube 33 festgezogen,
wobei ein Kupferdichtring 34 für Dichtheit sorgt. Mittels einer 2 Handhebel-Fettpresse
lassen sich Drücke von 350 kp/cm2 erzeugen, die ausreichen, um die Spann-Nabe mit
Sicherheit zu spannen. Der Nutring 37 verschiebt sich dabei nach links, drückt den
Kolben 36 auf den Spannring 2', dieser wirkt auf den rechten Spannkegel 13 des Käfigs
und über die Nabenhülse 1' und den Sicherungsring 30 gleichzeitig auf den Spannring
5', nach dem Prinzip actio = reactio.
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Der Sicherungsring 30 wird hier mit der gesamten Spannkraft belastet.
Im Gegensatz zur mechanisch gespannten Nabe sind hier beide Spannringe durch Rundkeile
12 drehfest mit der Nabenhülse 1' verbunden. Die Bohrungen 11 sind auch hier je
zur Hälfte in der Nabenhülse 1' und den Spannringen 2',5' gelegen.
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Durch Entfernen des Sicherungsrings 30 kann die ganze Spann-Nabe zerlegt
werden, nur der Nutring 37 lässt sich dabei nicht herausnehmen. Dies ist von Vorteil,
weil für den Einbau des Nutrings im Ringcylinder besondere Vorschriften zu beachten
sind und eine Vorrichtung zu verwenden ist, sodass der Nutring möglichst nicht mehr
demontiert werden sollte. Alle übrigen Teile sind leicht wieder einsetzbar, wobei
für den Sicherungsring 30 eine der bekannten Kontraktionszangen erforderlich ist.
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Wie schon erwähnt, verschiebt sich beim Spannvorgang die Nabenhülse
gegenüber dem Spannkäfig, da nur einer der Spannringe mit der Hülse fest verbunden
ist. In besonderen Filzen kann dies unerwünscht oder unzulässig sein. Für derartige
Anwendungen zeigt Figur 9 eine besondere
Nabenkonstruktion, bei
der die Nabenhülse 1" mit dem Spannkäfig durch einen innenliegenden Bordring 40
achsial fest verbunden bleibt, sodass keine Verschiebungen entstehen können.
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Der Spannkäfig ist für diese Ausführung aus zwei symmetrischen Teilen
aufgebaut, deren Elemente gleich bezeichnet sind wie in den früheren Figuren. Der
Bordring 40 ist in der Nabenhülse 1" festgelötet und somit achsial fixiert. Bei
Anziehen der Spannschrauben bleibt daher der Spannkäfig relativ zur Nabenhülse 1"
in Ruhe, während die beiden Spannringe 2" und 5" sich achsial in der Nabenhülse
'verschieben. Aus diesem Grunde sind beide Spannringe 2" und 5" durch je vier Rundkeile
12 drehfest mit der Nabenhülse 1" verbunden. Damit diese achtRundkeile im ungespannten
Zustand der Spann-Nabe nicht herausfallen können, kann an den Enden der Bohrungen
11 das Material der Nabenhülse 1" etwas aufgestaucht sein.
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Wie Figur 9 zeigt, weist der Bordring 40 innen konische Flächen auf,
die gegen entsprechende konische innere Stirnflächen der beiden Spannkäfige anliegen.
Diese Ausführung ist wesentlich, denn durch diese Konizität wird erreicht, dass
die Spannkäfighälften beidseitig auf die Welle gedrückt werden. Diese Ausführung
ist zudem völlig frei von Längstoleranzen, denn beim Anspannen werden die beiden
Käfighälften auf den Bordring 40 axial angepresst.
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Abdrückschrauben zum Lösen der Spannung sind hier nicht eingezeichnet,
da das Lösen auch auf andere Weise erfolgen kann, indem alle vier Spannschrauben
etwa 2 - 3 m/m weit zurückgedreht werden und alsdann auf jeden Schraubenkopf ein
leichter Schlag mit einem Plastikhammer gegeben wird.
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Die achsialschubfreie Bauart der Spann-Nabe ist herstellungsmässig
teurer als die normale Ausführung, in manchen Fällen jedoch gegeben.
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Die dargestellten und oben beschriebenen Ausführungsbeispiele mit
symmetrischen oder doppelt'wirkenden Spaflflkkfigen weisen verschiedene Vorteile
auf, von welchen bereits einige erwähnt wurden.
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Die Symmetrie der Spannung bringt die geringste Gefahr einer Exzentrizität
und / oder Unwucht des befestigten Maschinenteils, d.h.
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die Nabenhülse 1 wird immer genau koaxial zur Welle liegen, auf welcher
die Spann-Nabe angebracht ist.
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Es wäre jedoch auch möglich, eine asymmetrische Ausführung mit nur
einem Keilkranz und nur einem Spannring 2 oder 5 zu verwenden, wenn man aus bestimmten
Gründen auf die Vorteile der symmetrischen Ausführung bewusst verzichten will oder
muss. Wie oben eingehend nachgewiesen wurde, besteht ein entscheidender Vorteil
der erfindungsgemässen Ausführung darin, dass die konische fläche des Spannringes
überall gleichmässig auf den Keilen des Spannkäfigs aufliegt. Es dürfte also bei
sorgfältiger Ausfuehrung auch gelingen, einen Spannring auf einem Kranz von Keilen
konzentrisch auf einer Welle zu befestigen. Dieser einzige vorhandene Spannring
könnte die Nabenhülse 1 ersetzen, d.h., direkt in einem Masohinenteil montiert werden,
was eine gewisse kontruktive Vereinfachung und entsprechende preisliche Vorteile
mit sich bringen kann Bisher wurde immer davon ausgegangen, dass die Spann - Nabe
der starren Verbindung eines Maschinenteils mit einer Welle diene.
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Es sind jedoch auch andere Anwendungen möglich. Anstatt zur Uebertragung
von Drehmomenten kann die Nabe - auch zur Aufnahme axialer Kräfte dienen oder 4ekann
beide Funktionen zugleich erfüllen. Die Spann - Nabe kann aber auch als Sicherheits-Rutschkupplung
dienen, indem die Klemmung so eingestellt wird, dass der Spannkäfig bei Uebertragung
von über einem zulässigen Grenzwert liegenden Drehmomenten auf der Welle zu gleiten
beginnt.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann der Spannkäfig aus einzellen
Keilen bestehen, die durch Zwischengliederaus einem elastischen Material, z.B. Gummi
oder Kunststoff, verbunden sind. Fig. 10 zeigt eine Ausführung eines solchen Spannkäfigs
in Seitenansicht.
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Die Keile 14 sind durch Zwischenglieder 40 gleichen Querschnitts miteinander
verbunden. Zwischenglieder aus Gummi können mit den Keilen durch Vulkanisierung
verbunden werden. Dabei kann der Spannkäfig nicht mehr eigentlich als geschlitzt
bezeichnet werden, denn alle Zwischenräume zwischen den Keilen 14 sind gefüllt.
Beim Anlegen eines solchen Spannkäfigs gegen eine Welle erfolgt keine Verschiebung
der Keile in Umfangsrichtung, sondern die Schrumpfung des Spannkäfigs erfolgt durchaus
gleichmässig, durch leichte Kompression aller Zwischenglieder. Der Querschnitt der
Zwischenglieder braucht nicht genau der Form der Keile zu entsprechen, sondern er
kann geringer sein, z.B. entsprechend demjenigen des Steges 17 nach Fig. 2 bzw.
8-.
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Eine weitere Anwendung der erfindungsgemässen Spann-Nabe, insbesondere
der mit einem Spannkäfig gemäss Fig. 10 ausgerüsteten Spann-Nahe, kann in geeigneter
Ausführung als nachstellbares Gleitlager
erfolgen. Die Innenkanten
der Keile können in diesem Falle leicht angeschrägt sein, um ein Abstreifen des
Oelfilms zu vermeiden.