DE2824676A1

DE2824676A1 - Bolzen

Info

Publication number: DE2824676A1
Application number: DE19782824676
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Bauer
Original assignee: KNORR BREMSE GmbH; Knorr Bremse AG
Current assignee: KNORR BREMSE GmbH; Knorr Bremse AG
Priority date: 1977-06-06
Filing date: 1978-06-06
Publication date: 1978-12-14

Description

Bolzen
Die Erfindung betrifft einen Bolzen zum Verbinden zweier mit koaxialen Bohrungen versehener Teile und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bolzens.
Zur Verbindung, Befestigung und Kupplung mechanischer Teile sind eine Vielzahl von Einrichtungen und Verfahren bekannt.
Bei Vorliegen bestimmter Randbedingungen, wie Kosten, Festigkeit, Lebensdauer, Biegewechselspannungen, Zuverlässigkeit, Wartung etc. reduziert sich die Anzahl der verfügbaren Mittel drastisch. Im vorliegenden Fall geht es um die Verbindung zweier mechanischer Teile, die unter Wahrung einer bestimmten Elastizität so miteinander verbunden werden sollen, daß statische und dynamische Spannungen reduziert werden, Stoßbelastungen aufgenommen und unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten kompensiert werden. Dabei sollen über die Verbindung jedoch gleichzeitig hohe Kräfte übertragbar sein.
Ein Beispiel für eine solche Verbindung stellt die Befestigung einer Bremsscheibe an einer Nabe dar. Üblicherweise wird diese mit einer Vielzahl von radial gerichteten Bolzen an entsprechenden Bortsätzen der Nabe verschraubt. Die Bolzen sind von Federhülsen umgeben, die einerseits gewisse Durchmesserschwankungen der Bohrungen sowie unterschiedliche Wärmedehnungen zwischen Reibscheibe und Scheibennabe kompensieren und andererseits Scherkräfte übertragen. Insbesondere bei Schienenfahrzeug-Bremsscheiben beim Befahren schlechter Schienenstrecken infolge der hier außerordentlich großen Fahrstöße, aber auch im Balle, daß die radial ausgefluchteten Bohrungen nicht exakt angeordnet sind, kann es zu hohen Spannungskonzentrationen an einigen der Hülsen bzw. Bolzen kommen.
Diese Verbindungselemente werden sich somit stärker und schneller abnutzen als die übrigen. Ist erst einmal eine gewisse Abnutzung in Gang gekommen, schreitet diese bekanntlich immer schneller fort, was zu einem Ausschlagen der betreffenden Bohrungen und schließlich zu einem Beschädigen der miteinander verbundenen Teile selbst führen kann. Aus den dargelegten Gründen ist die übliche Verbindung der Bremsscheibe mit der Radnabe bei einer Schienenfahrzeug-Scheibenbremse nachteilig.
Ähnliche Nachteile treten immer dann auf, wenn zwei Teile miteinander verbunden werden sollen, die unterschiedlichen dynamischen Belastungen unterworfen sind und aus diesem Grunde eine gewisse elastische Bewegungsfreiheit gegeneinander aufweisen müssen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungselement für zwei mit unterschiedlichen Kräften beaufschlagte mechanische Teile zu schaffen, das in der Lage ist, gewisse Verformungen bzw. Verlagerungen elastisch aufzunehmen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch glöst, daß in dem Bereich des Bolzens, der mit einem Teil in Eingriff steht, eine Büchse koaxial angeordnet ist, deren Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Bolzens ist und der dadurch gebildete Ringraum von einer Büchse und Bolzen verbindenden elastischen Masse ausgefüllt ist. Damit wird erreicht, daß zwischen die beiden Teile eine Art Gummilager geschaltet wird, das einerseits Stöße, insbesondere die erwähnten, hohen Fahrstöße und Vibrationen sowie die Wärmedehnungen auffängt und andererseits auch ermöglicht, nicht genau fluchtende Bohrungen miteinander zu verbinden. Falls die auftretenden Spannungen ein gewisses Maß überschreiten, wird es zunächst zu einer Zerstörung bzw. Verdrängung der elastischen Masse kommen, was im Zuge einer Routinewartung leicht feststellbar ist. Somit braucht nur der betreffende Bolzen ausgewechselt zu werden, ohne daß Gefahr besteht, daß auch eines der mit dem Bolzen verbundenen Teile beschädigt wurde. Im Falle der Verbindung einer Bremsscheibe mit der Nabe eines Schienenfahrzeugs wird sich von vornherein eine gleichmäßigere Lastaufteilung über die Gesamtheit der eingesetzten Bolzen ergeben, da die elastische Masse sich in gewissen Grenzen verformen kann und Fluchtungsfehler damit kompensiert werden.
In weiterer Ausbildung der Erfindung sind auf dem Bolzen zwei voneinander getrennte Büchsen angeordnet, die mit je einem der zu verbindenden Teile in Eingriff stehen. Damit wird die Elastizität der Verbindung noch erhöht.
Es ist von Vorteil, wenn der Bolzen abgestuft ist und der Außendurchmesser des dickeren Bolzenbereichs gleich dem Außendurchmesser der Büchse ist. Die miteinander zu verbindenden Teile können in diesem Fall mit Bohrungen gleichen Durchmessers versehen werden, die beispielsweise in einem Arbeitsgang gebohrt sind, um Fluchtungsfehler zu vermeiden.
Um die Elastizität der Verbindung weiter zu erhöhen, kann die Büchse als an sich bekannte Federbüchse ausgebildet sein.
Zur Erhöhung der Haftung der elastischen Masse am Bolzen können die Flächen des Bolzens, die mit der elastischen Masse verbunden sind, geriffelt, mit Gewinde versehen oder aufgerauht sein. Damit können auch in geringem Maße Axialkräfte übertragen werden. Sollen größere Axialkräfte übertragen werden, kann nach einer Weiterbildung der Erfindung der Bolzen einen radialen Bund aufweisen, an dem eine Hülse mit einem entsprechend ausgebildeten radialen Flansch anliegt, wobei sich die elastische Masse auch zwischen Bund und Flansch befindet.
Als elastische Masse wird vorteilhaft ein formbarer thermoplastischer Kunststoff eingesetzt. Bevorzugt wird dabei Polyurethan, Polyfluorkohlenwasserstoff, synthetischer Gummi, Polyester oder ein anorganisches Polymer.
Erfindungsgemäß wird der Bolzen so hergestellt, daß er zusammen mit einer Hülse in eine Spritzgußform eingelegt wird und die elastische Masse in flüssigem oder halb flüssigem Zustand in den Hohlraum zwischen Bolzen und Hülse eingebracht wird und dort aushärtet, wobei sie sich mit den entsprechenden Oberflächen fest verbindet.
Mit der Erfindung wird ein Verbindungselement geschaffen, das, eine gewisse Standardisierung vorausgesetzt, in der Industrie zur elastischen Verbindung einzelner Teile allgemein anwendbar ist.
Nachfolgend sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen: Fig. 1 die Befestigung einer Bremsscheibe an einer Scheibennabe von Schienenfahrzeugen, Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Bolzen mit einer Büchse, Fig. 3 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform mit zwei Büchsen, Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch Bremsscheibe und Scheibennabe, die mittels eines erfindungsgemäßen Bolzens verbunden sind, Fig. 5 einen schematischen Querschnitt bzw. eine Seitenansicht eines Bolzens für allgemeine Anwendungen und Fig. 6 einen schematischen Querschnitt eines Bolzens für die Aufnahme radialer und axialer Kräfte.
Ein Beispiel für zwei mechanische Teile, die unter Wahrung einer gewissen Elastizität miteinander verbunden werden müssen, stellen Bremsscheibe 1 und Nabe 2 der Bremsvorrichtung eines Schienenfahrzeugs dar (Fig. 1). Üblicherweise erfolgt die Befestigung in der gezeigten Art, d.h. Scheibe 1 wird mittels radial gerichteter Bolzen 4 in entsprechende fingerartige Fortsätze der Nabe 2 eingeschraubt. Bolzen 4 selbst hat einen geringeren Durchmesser als die Bohrungen, die er durchsetzt. Um den Bolzen herum sind daher ein oder zwei Federhülsen 6 angeordnet, die durch entsprechende Einschnitte in axialer Richtung federnd ausgebildet sind, so daß Unterschiede im Durchmesser zwischen der Bohrung in der Nabe und einer zugehörigen Bohrung in der Bremsscheibe in gewissem Umfang aufgefangen werden können. Auch Fluchtung fehler lassen sich damit korrigieren. Der Bolzen 4 wird einerseits durch seinen Kopf und eine Beilagscheibe und am freien Ende ebenfalls durch eine Beilagscheibe gesichert, die mittels einer versplinteten Kronenmutter 8 festgehalten wird.
Bei einer Beaufschlagung der Bremsscheibe 1 durch die (nicht gezeigten) Bremsklötze wird diese gegenüber der Nabe 2 abgebremst, wobei Bolzen 4 auf Scherung beansprucht wird. Sehr hohe Beanspruchungen ergeben sich beim Überfahren von Schienenstößen. Ein Großteil der Scherkräfte wird von den Federhülsen 6 aufgenommen. Falls die Bohrungen jedoch nicht genau fluchten, übernehmen einige der am Umfang gleichmäßig verteilten Bolzen einen höheren Anteil der zu übertragenden Kräfte. Dies kann unter Umständen zu örtlichen Spannungskonzentrationen führen, die ein Fließen des Materials zur Folge haben. Eine einmal auftretende.Beschädigung vergrößert sich sprunghaft und führt schließlich zu einem Ausschlagen der Bohrungen und damit auch zu einer Beschädigung der Bremsscheibe 1 bzw. der Nabe 2.
Anstelle der in Fig. 1 gezeigten Bolzen wird nun vorgeschlagen, Bolzen zu verwenden, wie sie in Fig. 2 und 3 schematisch dargestellt sind. Die Anordnung der Bolzen kann dabei so wie in Fig. 1 dargestellt vorgenommen werden.
Fig. 2 zeigt einen abgestuften Bolzen 10, der in eine axiale Bohrung der Bremsscheibe 1 satt und möglichst ohne Spiel eingeführt ist. Der Bolzen 10 ist etwa im Bereich der Trennfuge zwischen Bremsscheibe 1 und Nabe 2 abgestuft. Über dem Bereich kleineren Durchmessers des Bolzens 10 ist eine Büchse 12 angeordnet, die mit dem Bolzen 10 über eine elastische Masse 14 verbunden ist, die den Ringraum zwischen Bolzen und Büchse 12 ausfüllt. Die axiale Erstreckung von Büchse 12 entspricht etwa der Breite der Nabe 2 in diesem Bereich.
Die Oberfläche des Bolzens 10 ist im Bereich der elastischen Masse 14 geriffelt bzw. mit Gewinde versehen, um die Haftung der elastischen Masse 14 zu erhöhen. Das freie Ende des Bolzens 10 ist in üblicher Weise mit einem Gewinde versehen, auf das eine Kronenmutter 16 aufgeschraubt ist. Wie gezeigt, können zwischen Bolzenkopf und Bremsscheibe einerseits und Kronenmutter 16 und Nabe 2 andererseits jeweils Beilagscheiben angeordnet sein.
Büchse 12 kann sich infolge der Verformbarkeit der elastischen Masse 14 sowohl in radialer Richtung verschieben als auch in einem Winkel zur Achse verschwenken. Geringfügige Fluchtungsfehler zwischen den Bohrungen in Scheibe 1-und Nabe 2 können dadurch aufgenommen werden. Ebenso werden Wärmedehnungen der Bremsscheibe 1 relativ zur Nabe 2 durch elastische Verformung der Masse 14 aufgenommen, ohne daß zwischen Bolzen 10 und Bremsscheibe 1 oder Büchse 12 und Nabe 2 ein Gleiten auftritt. Beim Betrieb der Bremse unvermeidliche Stöße und Vibrationen werden stark gedämpft auf die Nabe bzw. in umgekehrter Richtung weitergegeben.
Kommt es trotzdem zu einer übermäßigen Beanspruchung eines Bolzens, wird die elastische Masse 14 schließlich zerstört, wodurch Bolzen 10 selbst weitgehend kräftefrei wird. Die Zerstörung beschränkt sich also auf die elastische Masse 14 und greift nicht auf die Bohrungen bzw. Teile 1 und 2 über.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform des Bolzens 10 mit zwei Büchsen 12 und 18 gezeigt, die jeweils in entsprechenden Bohrungen der Scheibe 1 bzw Nabe 2 ohne Spiel eingeführt sind. Die Trennung zwischen den beiden Hülsen 12 und 18 liegt im Bereich der Trennfuge zwischen Scheibe 1 und Nabe 2. Bolzen 10 ist ähnlich wie bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform auf der Fläche, die mit der elastischen Masse in Berührung kommt, geriffelt bzw. mit Gewinde versehen, um einerseits die Haftung der elastischen Masse zu erhöhen und andererseits die Übertragbarkeit auch gewisser axialer Kraftkomponenten zu ermöglichen. Der in Fig. 3 gezeigte Bolzen ermöglicht eine größere elastische Verschiebung der beiden zu verbindenden Teile gegeneinander. In noch größerem Maße als bei dem in Fig. 2 gezeigten Bolzen sind Korrekturen in der Ausfluchtung der Bohrungen in den beiden zu verbindenden Teilen möglich.
Schlagartige Stöße werden in noch höherem Maße aufgefangen und gleichmäßig verteilt. Eine axiale Belastung des Bolzens führt zu seiner Verschiebung, die wiederum durch Beilagscheiben in gewählten Grenzen gehalten werden kann. Ein Ausschlagen der Bohrungen ist bei der Ausführungsform nach Fig. 3 noch weniger wahrscheinlich als bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Zunächst wird die elastische Masse 14 zerstört, was zu einer Lockerung des Bolzens 10 führt, die bei einer Routineüberwachung leicht feststellbar und durch Ersetzen des Bolzens behebbar ist.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß die elastische Hasse 14 niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Sie behindert daher den Wärmeübergang von der sich bei Bremsungen stark erhitzenden Bremsscheibe1 auf die Nabe 2, die infolgedessen relativ kühl bleibt. Der üblicherweise zwischen der Nabe 2 und der nicht dargestellten, sie tragenden Welle des Schienenfahrzeug-Radsatzes vorgesehene Preßsitz wird daher nicht durch Wärmedehnungen der Nabe 2 beeinträchtigt. Weiterhin bleiben auch die Welle und deren Lagerungen kühler, so daß keine durch Aufheizen von der Bremsscheibe 1 her bedingte Heißläufer zu befürchten sind.
In Fig. 4 ist eine weitere Art der Anordnung der Bolzen 10 zur Verbindung von Bremsscheibe 1 und Nabe 2 gezeigt, die anstelle derjenigen in Fig. 1 gezeigten gewählt werden kann. In diesem Fall sind die Bolzen axial angeordnet, was ihre Zugänglichkeit und Wartung erleichtert bzw. verbessert. Die Bolzen gemäß Fig. 2 und 7 können selbstverständlich auch in der in Fig. 4 gezeigten Weise angewendet werden.
Unter beengten Platzverhältnissen kann der Bolzen auch statt durch Kopf und Mutter in axialer Richtung durch einen Mitnehmer- oder Federstift gesichert werden.
Insbesondere der Bolzen nach Fig. 3 kann zur Verbindung zweier Ringflansche eingesetzt werden, die an den Enden zweier Wellen befestigt sind. Fluchtungsfehler sowohl in radialer, als auch axialer Richtung können dabei in gewissem Maße aufgenommen werden, wodurch die Vorsehung einer speziellen flexiblen Wellenkupplung entfällt.
In Fig. 5 ist ein Bolzen 20 gezeigt, der in verschiedenster Art und Weise zur Verbindung zweier Teile einsetzbar ist. Der Bolzen ist mit einem durchgehenden Gewinde versehen und trägt zwei koaxiale Hülsen 12, 18, die mittels einer elastischen Masse 14 mit dem Bolzen 20 verbunden sind. Auf die freien Enden des Bolzens 20 können Muttern oder Anschläge aufgeschraubt werden, die eine axiale Verlagerung des Bolzens verhindern. Liegt ein solcher Bolzen in gewisser Standardisierung und verschiedenen Abmessungen vor, kann er in der Industrie vielseitige Verwendung finden.
In Fig. 6 ist schließlich ein Bolzen 22 gezeigt, mit dem sowohl axiale, als auch radiale Kräfte übertragbar sind. Der Bolzen 22 weist einen Bund 24 auf, dem ein radial gerichteter Flansch 26 der Hülse 12 gegenüberliegt. Die zwischen Bolzen 22 und Hülse 12 angeordnete elastische Masse 14 ist radial zwischen Bund 24 und Flansch 26 nach außen geführt und sichert damit auch eine gewisse elastische Bewegungsmöglichkeit der Büchse 12 in axialer Richtung. Die freien Enden des Bolzens 22 können je nach Anwendungsfall beliebig mit einem Gewinde oder entsprechenden Anschlägen versehen werden.
Für den Fall, daß die durch die Vorsehung der elastischen Masse 14 gegebene Elastizität nicht ausreicht, können die Hülsen 12 bzw. 18 auch mit geeigneten Einschnitten versehen werden, die den Hülsen selbst eine gewisse federnde Eigenschaft vermitteln.
Solche Einschnitte sind bekannt und werden beispielsweise bei den Federbüchsen 6 zur Verbindung von Bremsscheibe 1 und Nabe 2 von Scheibenbremsen verwendet. In Kombination mit den erfindungsgemäßen Bolzen sind sie jedoch besonders vorteilhaft.
Die Herstellung der Bolzen erfolgt vorteilhaft in einer Form durch ein einstufiges oder auch mehrstufiges Verfahren. Die Volumenform der elastischen Masse wird einerseits durch die innere Oberfläche der Büchse und andererseits durch die äußere Oberfläche des Bolzens bestimmt. Bolzen und Büchse werden daher in entsprechender Ausfluchtung in einer Form angeordnet und der Ringraum zwischen diesen beiden Teilen mit der elastischen Masse ausgefüllt. Abhängig von dem verwendeten Material ähnelt die angewandte Technik beispielsweise dem Spritzgußverfahren, bei dem ein Elastomer in flilssigem oder halbflüssigem Zustand in die Form eingespritzt und dort ausgehärtet wird oder auch einer Druckformtechnik. Falls noch ein nachträglicher Vulkanisierungsschritt erforderlich sein sollte, können dafür bekannte Verfahren verwandt werden.
Unter den gegebenen Randbedingungen kommen nur einige Kunststoffe in Frage, besonders gut bewährt haben sich thermoplastische Kunststoffe, die nach einem Spritzgußverfahren verformt werden können. Geeignete Materialien sind Polyurethane, Polyfluorkohlenwasserstoffe, synthetische Gummis, Polyester, etc. wie auch einige der erst kürzlich entwickelten anorganischen Polymere. Für höchste Anforderungen sollten die Kunststoffe einem Druck von etwa 700 kg/cm2 und einer Temperatur von etwa 2600C Stand halten können.
Falls an die Außenflächen des Bolzens hohe Genauigkeitsanforderungen gestellt werden, können die Büchsen bzw. Bolzen und Büchsen nach dem Anformen nochmals überschliffen werden. Für die meisten Anwendungsfälle reicht jedoch die übliche Oberflächengüte der vorgefertigten Metallteile.
L e e r Leerseite

Claims

Patentansprüche 1. Bolzen zum Verbinden zweier mit koaxialen Bohrungen versehener Teile, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß in dem Bereich des Bolzens (10), der mit dem einen Teil (2) in Eingriff steht, eine Büchse (12) koaxial angeordnet ist, deren Innendurchmesser größer als der Außendurchmesser des Bolzens (10) ist und der gebildete Ringraum von einer Büchse (12) und Bolzen (10) verbindenden elastischen Masse (14) ausgefüllt ist.
2. Bolzen nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der Bolzen (10) abgestuft ist und der Außendurchmesser des dickeren Bolzenbereiches gleich dem Außendurchmesser der Büchse (12) ist.
3. Bolzen nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß auf dem Bolzen zwei voneinander getrennte Büchsen (12, 18) angeordnet sind, die mit je einem der zu verbindenden Teile (1, 2) in Eingriff stehen.
4. Bolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Büchse(n) an sich bekannte Federbüchsen sind.
5. Bolzen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Flächen des Bolzens, die mit der elastischen Masse verbunden sind, geriffelt, mit Gewinde versehen oder aufgerauht sind.
6. Bolzen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Bolzen (22) einen radialen Bund (24) aufweist, auf dem eine Hülse (12) mit einem entsprechend ausgebildeten radialen Flansch (26) anliegt, wobei sich die elastische Masse (14) auch zwischen Bund (24) und Flansch (26) befindet.
7. Bolzen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die elastische Masse (14) ein formbarer thermoplastischer Kunststoff ist.
8. Bolzen nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß der Kunststoff Polyurethan, Polyfluorkohlenwasserstoff, synthetischer Gummi, Polyester oder ein anorganisches Polymer ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Bolzens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß Bolzen und Hülse in eine Spritzgußform eingelegt werden und die elastische Masse in flüssigem oder halbflüssigem Zustand in den Hohlraum zwischen Bolzen und Hülse eingebracht wird und dort aushärtet, wobei sie sich mit den entsprechenden Oberflächen fest verbindet.