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Verfahren zur Verbindung von Maschinenteilen sowie
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Verbindungseinrichtung zur Druchführungdes Verfahrens Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Verbindung von Maschinenteilen oder von Konstruktionen,
bei denen ein äußerer Maschinenteil einen oder mehrere innere Maschinenteile umschließt.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Verbindungseinrichtung zur Durchführung des
Verfahrens. Dabei soll die Erfindung sowohl zur Verbindung rotierender Teile, beispielsweise
einer Welle und einer Nabe als auch zur axialen Festlegung eines äußeren Maschinenteils
relativ zu einem oder mehreren inneren Maschinenteile einsetzbar sein.
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Die Verbindung zweier rotierender Maschinenteile erfolgt bisher üblicherweise
durch Keilverbindungen, Preßverbindungen, Schrumpfverbindungen oder dergleichen
ähnliche
Verbindungseinrichtungen. FUr eine Keilverbindung ist sowohl
eine Bearbeitung der Welle als auch der Nabe erforderlich und außerdem müssen die
beiden Maschinenteile auch axial gesichert werden. Daher sind Keilverbindungen relativ
teuer. Außerdem bildet eine Keilverbindung eine starre Verbindung, die im Falle
einer Überbeanspruchung zum Bruch oder zur Zerstörung von Teilen der Verbindung
führen kann.
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Dagegen erfordert eine Preß- oder eine Schrumpfverbindung enge Toleranzen
und große Genauigkeit bei der Herstellung und Montage, so daß auch diese bekannten
Verfahren zur Verbindung von Maschinenteilen relativ kostenaufwendig sind.
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Als Alternative zu den bekannten Verbindungen sind separate Verbindungsmittel
entwickelt worden, welche zur Montage zwischen zwei Maschinenteilen, beispielsweise
einer Welle und einer Nabe vorgesehen sind und beim Anziehen eine Verbindung dieser
Maschinenteile bewirken. Solche separaten Verbindungsmittel sind im allgemeinen
als doppelwandige zylindrische Hülsen ausgebildet, in welchen mittels Schrauben
Keile eingepreßt werden können, so daß die Wände der Hülsen in Radialrichtung aufgeweitet
werden. Die Verbindungsmittel können auch als an einem Ende geschlossene und ein
plastisches oder elastisches Druckmedium enthaltende Hülse ausgebildet sein, die
unter Druckeinwirkung zu einer Aufweitung in radialer Richtung gebracht wird, wobei
das Druckmedium die Hülse durch radiale Expansion in ihrer Form ändert.
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Insbesondere der letzterwähnte Typ solcher separater Verbindungseinrichtungen
ist sehr wirksam und ermöglicht abhängig von der Druckkraft auf das plastische oder
elastische
Druckmedium eine Verbindung der Maschinenteile für Jedes Drehmoment, und die Maschinenteile
können durch Verringerung des Drucks im Druckmedium in der Verbindungshülse und
Herausnahme der Verbindungeeinrichtung leicht wieder getrennt werden.
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Diese zuletzt erwähnte Verbindungseinrichtung erfordert Jedoch einen
vorbestimmten Abstand zwischen den zu verbindenden Maschinenteilen, und falls eine
Welle und eine Nabe mit einem Gleitsitz oder einem ähnlichen Sitz vorgegeben sind,
können diese Verbindungseinrichtungen deshalb nicht ohne Nachbearbeitung der Welle
oder der Nabe eingesetzt werden.
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Darüber hinaus sind die bekannten Verbindungseinrichtungen auch in
solchen Fällen nicht geeignet, in denen ein größerer Abstand zwischen der Welle
und der Nabe gegeben ist da die bekannten Verbindungseinrichtungen nicht mit großen
Wandstärken oder mit großen Volumen des plastischen oder elastischen Druckmediums
hergestellt werden können.
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In bestimmten Fällen ist die Genauigkeit zwischen den zu verbindenden
Maschinenteilen oder die Verbindungskraft auch unnötig hoch.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die vorstehend dargelegten
Nachteile der bekannten Verbindungseinrichtungen zu vermeiden und ein Verfahren
und eine Verbindungseinrichtung zur Verbindung von Maschinenteilen für solche Fälle
anzugeben, in denen ein äußerer Maschinenteil einen oder mehrere innere Maschinenteile
umschließt,
und wobei das Verfahren sowohl zur Verbindung rotierender Teile als auch zur axialen
oder längsgerichte ten Festlegung der Maschinenteile dienen kann. Außerdem soll
das Verfahren für alle denkbaren Maschinenteile verwendbar sein, ohne daß spezielle
Zwischenräume, beispielsweise zwischen Welle und Nabe, erforderlich -en sind und
ohne daß besondere Bearbeitung/der Welle oder der Nabe durchgeführt werden müssen.
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Ausgehend von einem Verfahren der eingangs erwähnten Art wird diese
Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der Nähe der Berührungsflächen von
zwei zu verbindenden Maschinenteilen in einem der Maschinenteile eine oder mehrere
den Maschinenteil ganz oder teilweise durchsetzende parallel zur Berührungefläche
verlaufende Bohrung(en) vorgesehen wird bzw. werden, daß in Jede Bohrung eine aus
einem bei Einwirkung von Druckkräften formveränderlichen Material hergestellte Spannhülse
eingesetzt wird, auf die dann ein Schraubenelement zur Einwirkung gebracht wird,
welches durch seine Schraubverbindung einen axialen Druck auf die Spannhülse auszuüben
vermag, so daß die Spannhülse sich radial ausdehnt und in dem sie aufnehmenden Maschinenteil
eine partielle Formänderung in radialer Richtung bewirkt, wodurch dieser Maschinenteil
auf dem oder den anderen Naschinenteil(en) festgeklemmt und so die Maschinenteile
verbunden werden.
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Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehene
V-rbindungseinrichtung weist erfindungsgemäß eine aus einem verformbaren Material
hergestellte Spannhülse quf, die in einer Bohrung eines mit einem weiteren Maschinenteil
zu verbindenden Maschinenteils
in der Nähe der Berührungsfläche
der beiden Maschinenteile angeordnet ist, und es ist ein axial an der Spannhülse
zum Angriff bringbares Klemm-SchraubeneJement vorgesehen, das die Spannhülse bei
Ausübung eines axialen Drucks radial verformt und dadurch eine wenigstens partielle
Verformung des Maschinenteils bewirkt, in dem die Verbindungseinrichtung angeordnet
ist.
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Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung in Verbindung mit
der Zeichnung näher erläutert. Dabei ist jedoch darauf hinzuweisen, daß die in den
Zeichnungsfiguren dargestellten Einrichtungen lediglich Ausführungsbeispiele sind,
die im Rahmen des Erfindungsgedankens abgewandelt und weitergebildet werden können.
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In der Zeichnung zeigt bzw. zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf eine
in der erfindungsgemäßen Weise hergestellte Verbindung einer Welle und einer Nabe;
Fig. 2 eine Schnittansicht entlang der Linie II-II in Fig. 1T Fig. 3, 4, 5 und 6
alternative AusfUhrungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Verbindungseinrichtung
Jeweils in Schnittansicht; Fig. 7 eine in der Schnittführung der Fig. 2 entsprechende
axiale Schnittansicht durch eine Welle und eine Nabe, die mittels einer Abstandshülse
verbunden sind; Fig. 8 eine Draufsicht auf ein weiter abgewandeltes Ausführungsbeispiel
einer Verbindung einer Welle mit einer Nabe; Fig. 9 eine Schnittansicht entlang
der Linie IX-IX in Fig. 8T Fig. 10 eine Draufsicht auf eine im Rahmen der Erfindung
anwendbare Spannhülse; und Fig. 11 eine axiale Schnittansicht entlang der Linie
XI-XI in Fig. 10.
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In den Figuren 1 und 2 ist die erfindungsgemäße Art und Weise der
Verbindung einer Welle 1 und einer Nabe 2 gezeigt. Die Welle und die Nabe sind mit
Gleitsitz gepaßt, so daß die Nabe auf die Welle aufgeschoben werden kann. Um die
beiden Teile relativ zueinander festzulegen, sind eine Anzahl von die Nabe durchsetzenden
Bohrungen 3 vorgesehen, und in diesen Bohrungen sind Verbindungseinrichtungen oder
Verbindungskörper 4 angeordnet, die eine Formänderung von Abschnitten der Nabe verursachen,
wenn sie angezogen werden, so daß diese Abschnitte an der Welle angepreßt werden
und so eine Verbindung der Welle und der Nabe erfolgt.
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Die Bohrungen 3 sind vorzugsweise in gleichmäßigem Abstand um die
Welle herum verteilt angeordnet, und die Anzahl der Bohrungen und ihre Durchmesser
werden entsprechend den gegebenen Umständen gewählt. Die Bohrungen 3 werden in der
Nähe der Wellenbohrung 3 der Nabe 2 vorgesehen, wobei Jedoch ein solcher Abstand
eingehalten wird, daß der Verbindungskörper 4 noch für die Betätigung durch ein
Werkzeug zugänglich ist.
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Der Verbindungskörper 4 umfaßt im wesentlichen eine Spazinhülse 6
und ein Klemmelement 7. In den Figuren 1 und 2 ist das Klemmelement 7 als Klemmechraube
dargstellt, die an einem 4 de eine Mutter und am gegenüberliegenden Ende einen Schraubenkopf
mit einer Sechskant-Ausnehmung trägt.
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Der erwähnte Klemmkörper ist in Fig. 5 in größerem Maßstab gezeigt.
Zwischen der Spannhülse 6 und der Mutter 8 ist ein hülsenförmiger Druckkolben oder
eine Druckhülse 9 angeordnet, welche eine Abdichtung zwischen der Schraube 7 und
dem Umfang der Bohrungen 3 bewirkt.
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Die Spannhülse 6 ist aus einem im wesentlichen inkompressiblen aber
relativ weichen Material hergestellt, so daß die Hülse beim Anziehen der auf die
Schraube 7 aufgesetzten Mutter 8 ihre Form ändert, wobei die auf den Verbindungskörper
einwirkende Axialkraft durch die Spannhülse 6 in eine radial gerichtete Kraft umgesetzt
wird. In der Darstellung der Zeichnungsfiguren besteht die Spannhülse 6 aus Kunststoffmaterial,
Jedoch ist diese Darstellung nur zu Vereinfachungszwecken gewählt und es ist ersichtlich,
daß sie auch aus Jedem anderen geeigneten Material hergestellt werden kann, welches
weitgehend inkompressibel ist und das weicher als das Material des Klemmelements
7 und der Druckhülse 9 ist. Als geeignetes Material für die Druckhülse kann beispielsweise
auf verstärkte und unverstärkte Kunststoffmaterialien, Blei oder Zinnlegierungen,
mit metallischen Füllstoffen versetzte Elastomere u.dgl.
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hingewiesen werden.
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Die Spannhülse 6 und das Klemmelement 7 in Form einer Schraube haben
solche Abmessungen, daß sie leicht in die Bohrungen 3 der Nabe 2 eingeschoben werden
können, und in dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet der
Schraubenkopf 10 und die Druckhülse 9 die axiale Begrenzung der Spannhülse 6. Wenn
die Mutter 8 angezogen wird, wird die Spannhülse 6 in Axialrichtung zusammengedrückt,
wodurch die einwirkende Axialkraft im Material der Spannhülse in radial gerichtete
Kräfte
umgeformt wird, welche eine Verformung der Nabe in deren weichesten Abschnitten,
d.h. in den Abschnitten, die der Welle 1 am nächsten gelegen sind, verursacht.
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Beim Anziehen der Mutter der verschiedenen Verbindungskörper werden
einige Bereiche der Nabe gegen die Welle 1 angedrückt, wodurch zwischen der Welle
und der Nabe eine Verbindung hergestellt wird, die sowohl in Axialrichtung als auch
zur Übertragung von Drehmomenten wirksam ist. Abhängig von der erforderlichen Belastbarkeit
der Verbindung kann eine unterschiedliche Anzahl von Verbindungskörpern montiert
werden, und die Verbindungskörper können unterschiedlich stark angezogen werden.
In einigen Fällen kann es genügen, wenn lediglich ein einzelner Verbindungskörper
vorgesehen wird, während in vielen Fällen, insbesondere dann, wenn eine gute Zentrierung
erforderlich ist, zwei oder mohr Verbindungskörper in gleichmäßiger Winkelverteilung
und in gleichem Abstand von der Wellenbohrung 5 vorgesehen werden müssen.
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Um die Teile voneinander zu trennen, werden die Muttern der Verbindungskörper
gelöst, wobei die Spannhülse 6 und der verformte Abschnitt bzw. die verformten Abschnitte
der Nabe wieder ihre ursprüngliche Form annehmen, so daß die Nabe und die Welle
unmittelbar voneinander getrennt werden.
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In den Figuren 3 bis 6 sind einige alternative Anwendungsmöglichkeiten
der Verbindungskörper dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Erfindung zur Verbindung
zweier Teile unabhängig von deren Art und Form so angewandt werdenkann, daß diese
Teile relativ zueinander unverschiebbar sind. Im Zusammenhang mit den Figuren 1
und 2
wurde die Verbindung einer Welle und einer Nabe beschrieben,
Jedoch kann in gleicher Weise eine Verbindung zweier nicht rotierender Maschinenteile
erfolgen, wobei eine Verbindung gegen Verschiebung lediglich in einer Richtung erhalten
wird. Die in den Figuren 3 bis 6 gezeigten Verbindungskörper können unabhängig von
der Art der vorgesehenen Verbindung eingesetzt werden.
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In Fig. 3 ist einer der zu verbindenden Teil mit einer Durchbohrung
versehen, die in einige Abstand von einem Ende ein Gewinde trägt. Vom Gewinde zur
gegenüherliegenden Oberfläche des biaschirenteils aus ist die Bohrung so erweitert,
daß eine Spanahülse 6 in sie eingesetzt werden kann, und diese Spannhülse kann dann
mittels einer Schraube 7 angezogen werden, zwischen deren Schraubenkopf 10 und der
Spannhülse 6 eine Druckhülse 9 aus einem Material vorgesehen ist, welches härter
als das Material der Spannhülse 6 ist.
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In Figur 4 ist ein altornativos Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem
die Durchbohrung 3 ebenfalls von einem Bereich in der Nähe einer Oberfläche der
Verbindungseinrichtung aus erweitert ist, wobei Jedoch das Anziehen der Spannhülse
durch das Zusammenwirken des Schraubenkopfs 10 und der Druckhülse 9 an einem Ende
und einer Mutter 8 am gegenüberlie6nden Ende der Schraube erfolgt.
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Figur 5 zeigt den in Verbindung mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen
Verbindungskörper in vergröß<irtem Maßstab.
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Figur 6 zeigt eine Einrichtung, bei welcher einer der zu verbindenden
Teile mit einer nicht durchlaufenden Bohrung 3, d.h. einer Sackbohrung, versehen
ist. In die Bohrung ist ein hülsenförmiger Körper 11 eingesetzt,
der
mittels eines durchbohrten (Durchgangsbohrung 13) Schraubkörpers 12 in der Bohrung
3 festgelegt ist.
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Im Innern des hülsenförmigen Körpers 11 ist ein noch um ein gewisses
Maß in die Durchbohrung 13 des Schraubkörpers 12 eintrotender Spannkörpsr 14 eingesetzt,
der vom inneren Ende einer Schraube 7 unter Druck setzbar ist, die in die als Gewindebohrung
ausgebildete Durchgangsbohrung 13 der Schraube 12 eingeschraubt ist. Bei geeigneter
Wahl des Materials des hülsenförmigen Körpers 11 und des Spannkörpers 14 wirken
die beiden Materialien so zusammen, daß eine gute Druckverteilung und eine entsprechend
gleichmäßige Verformung des Maschinenteils 2 erreicht wird.
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Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 3, 4 und 6 wird die
Spannhülse bzw. der Verbindungskörper Jeweils nur von einer Seite aus mit Druck
beaufschlagt, während die Spannhülse 6 beim Ausfiihrungsbeispielnach Fig. 3 von
beiden Enden druckbeaufschlagt ist, was zu einer gleichmäßigeren Druckverteilung
in der Spannhülse führt Falls einer der oder die beiden zu verbindenden Teile aus
geschmiedetem oder anderem hartem Material hergestellt sind, kann es schwierig werden,
Bohrungen für den Verbindungskörper in diesem Teil oder in den Teilen herzustellen,
und in einem solchen Fall kann die Verbindung in der in Fig. 7 gezeigten Weise hergestellt
werden. In dieser Figur ist ebenfalls die Verbindung einer Welle 1 und einer Nabe
2 dargestellt, wobei Jedoch die Wellenbohrung der Nabe erheblich größer als der
Durchmesser der Welle ist, und in den Zwischenraum zwischen der Welle und der Nabe
ist ein hülsenförmiger Abstandekörper 13 eingesetzt. Dieser Abstandekörper kann
aus
einem leichter bearbeitbaren Material als das Material der Welle und der Nabe hergestellt
werden, und deshalb können im Abstandekörper auch leichter Bohrungen 3 für die Verbindungskörper
4 eingearbeitet werden. Im dargestellten Fall ist der Verbindungekörper mittig im
Material des Abstandskörpers 15 angeordnet, und beim Zusammendrücken der Spannhülse
6 mittels der Schraube 7 und der Mutter 8 wird der Abstandekörper 13 sowohl radial
einwärts zur Welle 1 als auch radial auswärts zur Nabe 2 verformt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren
8 und 9 gezeigt, Jedoch ist der Zwischenraum zwischen der Welle 1 und der Nabe 2
in diesem Falle so groß, daß eine zylindrische Scheibe 16 in diesem Zwischenraum
angeordnet wird, die mit der Welle 1 durch drei Verbindungskörper 4a und mit der
Nabe 2 durch drei Verbindungskörper 4b verbunden ist.
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Die Spannhülse 6 wird beim Anziehen der Klemmelemente 7, 8 in der
obenerwähnten Weise zusammengedrückt. Diese Zusammendrückung erfolgt gleichmäßig
auf der gesamten Spannhülse und das bedeutet, daß sowohl eine radiale wie auch eine
in Umfangsrichtung erfolgende Ausdehnung erzielt wird. Wenn die Spannhülse aus einem
Material hergestellt wird, welches seine Form plastisch ändert, beispielsweise eine
Spannhülse aus Aluminium oder einer Metallegierung, kann diese plastische Formänderung
dazu führen, daß die Spannhülse beim Entspannen der Mutter der Schraube nicht wieder
die ursprüngliche Form annimmt, was dann zu Schwierigkeiten bei der Demontage der
Verbindung führen kann. Außerdem kann es beim Anziehen der Mutter oder der Schraube
passieren, daß die Spannhülse 6 versucht, sich mit der Mutter
oder
der Schraube mitzudrehen, wodurch ebenfalls plastische Formänderungen der Spannhülse
verursacht werden können. Um nachteilige Folgen in dieser Hinsicht auszuschließen,
können eine oder mehrere axiale Nuten in der Sapnnhülse vorgesehen werden, wobei
dann Abschnitte verringerter Dicke entstehen, die zur Aufnahme plastischer Formänderungen
dienen und die Ausdehnung in Umfangsrichtung der Hülse kompensieren und dabei auch
verhindern, daß die Spannhülse sich zusammen mit der Schraube oder der Mutter drehen
kann.
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In Figur 10 ist gezeigt, wie die Spannhülse 6 mit drei Paaren von
axialen Nuten, nämlich drei Nuten 22 im äußeren Umfang und drei Nuten 23 im inneren
Umfang versehen werden kann. Die Nuten 22 und 23 sind Jeweils paarweise einander
gegenüber ausgerichtet, so daß zwischen den Nutpaaren Jeweils ein Abschnitt 24 verringcbrter
Dicke entsteht Die Anzahl der axialen Nuten kann den Umständen entsprechend gewählt
werden, und im einfachsten Fall wird am äußeren Umfang der Spannhülse eine einzige
Nut vorgesehen.
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In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Spannhülse in mehrere
kurze Hülsenstücke zu unterteilen, und in Fig. 11 ist ein aus drei kurzen Hülsenstücken
6a, 6b und 6c zusammengesetzte Spannhülse gezeigt, wobei die Hülsenstücke relativ
zueinander verdrehbar sind, so daß die Nuten 22 und 23 der drei Hülsenstücke über
einen größeren Bereich des Umfangs der Welle verteilt angeordnet werden können.
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In der vorstehenden Beschreibung ist die Spannhülse als separates
Teil herausgestellt worden. Es ist Jedoch ersichtlich, daß die Spannhülse auch fest
auf dem Klo lelement 7 befestigt oder als integraler Teil des Klemmelements ausgebildet
sein kann.
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Für den Fachmann ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren
sowie die Verbindungseinrichtung im Rahmen des Schutzumfangeder beigefügten Ansprüche
abgewandelt und unterschiedlichen Erfordernissen angepaßt werden kann.