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Antrieb mit einer Vertikalwelle zur Oberflächenbelüftung
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von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser Die Erfindung bezieht sich
auf einen Antrieb mit einer Vertikaiwelle zur Oberflächenbelüftung von Flüssigkeiten,
insbesondere Wasser, bei dem zwischen der Welle eines Belüftungsrades und der treibenden
Achse eine Kupplung mit Innen- und Außenverzahnung angeordnet ist. Der Antrieb ist
zum Antreiben jedwelcher, an die Vertikalwelle ankuppelbarer Mischvorrichtungen
geeignet. Entsprechend der der in Abhängigkeit der geforderten Leistung bestimmten
Größe kann der Antrieb in einem geschlossenen Raum oder im
Freien,
auf einer stabilen Brücke oder schwimmenden Konstruktion oder auf einem Behälter
befestigt werden.
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Der gemeinsame Nachteil bekannter Antriebe dieser Art liegt darin,
daß es keine Möglichkeit zur Gestaltung einer zur Aufnahme der#aufgrund der Wirkung
der Flüssigkeitsbewegung auftretenden, sich ändernden Kraftwirkungen geeigneten,
betriebssicheren Konstruktion gegeben ist, da die die Belüftungsräder oder die Mischschaufeln
tragende Welle weit hervorragt, wodurch das an dem oberen Ende der Welle angeordnete,
angetriebene Zahnrad sich infolge der elastischen Ausbiegungen durch die unterschiedliche
Inanspruchnahme der Welle in radialer Richtung verschiebt. Die Verschiebung kann
entweder durch Erhöhung der Trägheit der Welle, oder durch die Verminderung des
Unterstützungsabstandes, oder durch einen vergrößerten Wellenquerschnitt verhindert
werden.
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Es ist hingegen nicht möglich, den Lagerabstand zu vermindem, da die
Länge des hinausragenden Abschnitts der Welle von einer, von dem Antrieb unabhängigen
Bedingung bestimmt wird. Die einzige Möglichkeit besteht in der Erhöhung des Wellenquerschnittes,
obwohl die von der Verzahnung bedingte Steifheit der Welle einen ästhetisch unannehmbaren
Wellendurchmesser und eine zu große Lagerung ergeben würde.
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Die zu dem von der Erfindung umfaßten Aufgabaikreis gehörenden Konstruktionen
können in zwei Hauptgruppen unterteilt werden: 1) Die von der Wasseroberfläche fernliegenden
Antriebe mit einer mit dem oberen Lagerturm erhöhten Lagerstützweite.
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2) Die in der Nähe der Wasseroberfläche angebrachten Antriebe mit
einer im unteren Lageransatz erhöhten Lagerstützweite.
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Antriebe beider Gruppen sind geeignet, Belüftungsräder anzutreiben.
Bei der Herstellung derartiger Räder bewegt sich die hydraulische Unwucht zwischen
weiten Toleranzgrenzen. Andererseits entstehen in der Flüssigkeit unterschiedliche
und sich ständig ändernde Strömungsverhältnisse.
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Die Änderung der Strömungsverhältnisse läßt sich mit der Entstehung
spezieller Wellen in der Flüssigkeit erklären, die einerseits durch den Anprall
der Flüssigkeit an der Beckenwand, andererseits durch den Zusammenstoß zwischen
den Schaufeln der Belüftungsräder und der Flüssigkeit hervorgerufen wird. Die sich
infolge des Rückpralls mit verschiedenen Geschwindigkeiten ausbreitenden Druckwellen
interferieren, wodurch translatorische Wellengruppen entstehen. Die im Inneren der
Flüssigkeit entstehenden Druckwellen mit Geschwindigkeiten von sich ändernder Richtung
und Größe stoßen mit den Schaufeln der Belüftungsräder zusammen, wodurch die sich
aus der hydraulischen Unwucht ergebenden schädlichen Schwingungen weiter erhöht
werden.
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Die Höhe der Oberflächenwellen bestimmt die Länge der Achse zwischen
dem Belüftungsrad und dem unteren Lager. Diese Achsenlänge ist äußerst groß. Um
die auf die Lager entfallende Belastung vermindern zu können, muß auch der Lagerabstand
groß gewählt werden. Dadurch üben die radialen und axialen Schwingungen ihren Einfluß
auf eine Achse mit verhältnismäßig großer Lagerstützweite aus und rufen eine große
elastische Deformation derselben hervor.
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Infolge der elastischen Deformation ändert sich das Kämmbild der Zahnräder
des Antriebes entsprechend der Periodenzahl der Schwingung. Die Deformation führt
wiederum zur ordnungswidrigen Belastung der Zähne, die sich z.B. in Form einer sich
ändernden Ecken-Kanten-Auflage äußert.
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Schneckenantriebe und schrägverzahnte Getriebe sind gegenüber derartigen
Belastungen äußerst empfindlich. Um die erwähnten
Mängel beseitigen
zu können, wurden zahlreiche Lösungen vorgeschlagen, aber keine davon war befriedigend,
weil lediglich eine Verminderung der Nachteile erreicht werden konnte. Der Stand
der Technik wird im folgenden anhand einiger Lösungen geschildert.
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Die zu dem engeren Gegenstandskreis der erfindungsgemäßen Lösung gehörenden
bekannten Lösungen können den in der Einleitung gekennzeichneten zwei Gruppen zugeordnet
werden.
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Als Beispiel sollen die zu den Gruppen 1 und 2 gehörenden Produkte
der Firma Flender (Bundesrepublik Deutschland), die zur Gruppe 2 gehörenden Produkte
der Firma SEW (Bundesrepublik Deutschland) und Rud. Uiker (Schweiz), die zur Gruppe
1 gehörenden Produkte der Firma Kumpulainen (Finnland), sowie die zur Gruppe 2 gehörenden,
zur Oberflächenbelüftung von Wasser dienenden Antriebe mit Vertikalachse der Firma
Braunlübbe (Schweiz) erwähnt werden.
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Aus den erwähnten Typen erreicht die axiale Belastung nach den Versuchen
und Berechnungen der Firma Flender 150 000 N; diese Firma versucht die elastische
Deformation der Achse durch den Einbau von großdimensionierten, zusammengesetzten
Lagerungen zu vermindern.
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Es sind auch Lösungen bekannt, bei denen die das Belüftungsrad tragende
Welle und die Antriebswelle von zwei selbständigen Wellen gebildet werden und die
Verbindung zwischen den beiden durch eine gezahnte Kupplung gewährleistet ist, die
das Getriebe von den, von dem Belüftungsrad hervorgerufenen schädlichen Wellenbiegungen
freistellt; obzwar bei diesen Lösungen die von der elastischen Deformation auf die
Zahnkämmung ausgeübte Wirkung vermindert werden kann, ist die vollkommene Beseitigung
nicht möglich. Bei den heutzutage bekannten und in den Normen, z.B. Goszt 5006,
beschriebenen
Kupplungen mit gewölbter Verzahnung ist der Winkelunterschied
der Wellen ausschließlich um den Mittelpunkt der Wölbung als Verzahnungszentrum
zulässig; im vorliegenden Fall können die schädlichen Konsequenzen trotzdem nicht
beseitigt werden.
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Die. herkömmlichen Einrichtungen können dadurch gekennzeichnet werden,
daß zur Aufnahme der akzessorischen Belastungen bei der Übertragung gleicher Leistung
Antriebswellen mit erhöhter Trägheit und größere Lager in die Belüftungsanlagen
eingebaut werden. So können die zur Belüftung von Flüssigkeiten dienenden Antriebe
- deren Lebensdauer mit jener der zu allgemeinen Zwecken dienenden Antriebe übereinstimmt
- der Größenordnung nach in größeren Dimensionen gebaut werden, als die traditionellen
Getriebe.
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Durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung können die erwähnten
Nachteile beseitigt werden, da die schädlichen Zahndrücke an der gezahnten Kupplung
nicht mehr auftreten; als Ergebnis kann die Welle des Belüftungsrades durch die
bei den sonstigen Getrieben üblichen Dimensionierung bestimmt werden, ohne daß die
Lebensdauer abgekürzt sei.
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Demnach bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen Antrieb mit
einer Vertikalwelle zur Oberflächenbelüftung von Flüssigkeiten, insbesondere Wasser,
bei dem zwischen der Welle des Belüftungsrads und der antreibenden Welle eine Kupplung
- vorzugsweise mit Innen-.und Außenverzahnung -angeordnet ist, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß an der angetriebenen Welle eine Kupplungshälfte mit Außenverzahnung angeordnet
ist, die eine faßförmige Verzahnung aufweist, und der axiale Abstand zwischen der
verzahnten Fläche der Kupplung und dem zur Kupplung näherliegenden Lager die Hälfte
des Außendurchmessers der Kupplung nicht überschreitet.
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Das wesentliche Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die faßförmige
Verzahnung es ermöglicht, daß die Kupplung sich um einen Punkt der Welle drehen
kann, der außerhalb der von den Kupplungsnaben begrenzten Achslinie liegt, ohne
daß an den Zähnen eine die Lebensdauer bedeutend beeinträchtigende Kantenauflage
entsteht. Um diese Möglichkeit ausnützen zu können, wird die das Schaufelrad tragende
Welle des Getriebes, die gleichzeitig die Ausgangswelle des Getriebes darstellt,
geteilt, wobei die beiden Wellen mittels einer gezahnten Kupplung verbunden sind,
wodurch die Ausgangswelle des Getriebes von schädlichen Schwingungen freigehalten
wird. Die Zielsetzung hingegen, daß keine Kraft außer dem Drehmoment auf die Ausgangswelle
wirkt, kann keineswegs allein durch die Kupplung erreicht werden; das Übergreifen
der schädlichen Schwingungen kann ausschließlich durch die faßförmige Gestaltung
der Zähne des an der das Belüftungsrad tragenden Welle befestigten Zahnrads verhindert
werden. Die von den schädlichen Schwingungen hervorgerufenen unerwünschten Kraftwirkungen
werden von den Lagern der das Schaufelrad tragenden Welle und der die Lager umschließenden
Tragkonstruktion aufgenommen. Die elastischen Ausbiegungen der das Belüftungsrad
tragenden Welle werden von der Lagerkonstruktion in keiner Weise gehindert.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung können mit folgenden Ausführungen
charakterisiert werden.
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Die Lebensdauer des Getriebes wird verlängert. Aufgrund entsprechender
Dimensionierung der Ausgangswelle, der Zähne der gezahnten Kupplung und der Welle
des Belüftungsrades kann eine bedeutende Gewichtsverminderung erreicht werden.
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Auch bei den zur Lagerung der erwähnten Bauteile erforderlichen Lagern
kann man mit reduzierten Dimensionen rechnen.
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Die Erfindung wird anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine als
Beispiel dienende Lösung des Getriebes, Fig. 2 die Kinematik der Entlastung.
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Wie es aus der Fig. 1 ersichtlich ist, sind das Getriebe 1 und die
Lagerkonstruktion 2 miteinander verbunden. Die Verbindung zwischen den getrennten
Wellenhälften wird durch das Zahnrad 3 mit Innenverzahnung und das ringförmige Rad
4 gewährleistet. Die eingreifende Verzahnung des letzteren ist sphärisch ausgestaltet.
Die Zähnezahl ist bei der Innen-und Außenverzahnung identisch.
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Das axiale Klemmen der unteren Wellenhälfte ist durch eine elastische
Befestigung des Lagers 5 gelöst, wobei die elastischen Klemmelemente 6 eine axiale
Verschiebung des äußeren Lagerringes und damit der unteren Wellenhälfte in Abhangigkeit
der Federkonstante und der axialen Schwingbelastung ermöglichen. Der mit Laufsitz
versehene Außenring des radialen Pendellagers 7 ist in der Lagerschale 8 - die mit
PTFE(Teflon) überzogen - angeordnet. Diese Gestaltung ermöglicht neben einem Selbsteinstellen
auch eine durch die Schwingbelastung hervorgerufene axiale Verschiebung; selbstverständlich
beeinflußt die axiale Verschiebung die Funktion der Kupplung nicht.
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In Fig. 2 ist die unter der Wirkung der radialen Schwingbelastung
entstehende Deformation der unteren Wellenhälfte in Form der Ausbiegung "f" und
des Winkelunterschieds "N " dargestellt.
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Infolge der Wellendeformation verschiebt sich in der Mittellinie der
Verbindung das Zahnrad 4 um den Wert f in radialer Richtung, während eine Verdrehung
um den Winkel "oU" stattfindet.
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Um eine Verbindung ohne Radialkraft realisieren zu können, bestimmt
die Sehnenhöhe "F1" der faßförmigen Verzahnung des Zahnrades 4 den Radius R1 der
sphärischen Verzahnung.
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Ein vollkommenes Kämmen der gezahnten Elemente 3,4 kann durch die
zweckmäßige Wahl der Zahnlücken sichergestellt werden, und zwar in der Weise, daß
nicht einmal bei der größten Deformation ein Anstoßen der Zähne zwischen den beiden
Kupplungshälften zustandekommt, gleichzeitig aber eine fünfzigprozentige Auflage
entlang des Umfanges die erforderliche Momentenübertragung sichert.
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In Fig. 2 ist die Kupplung in Abwicklung dargestellt, wobei die am
meisten kennzeichnenden Zahnverkämmungen bzw. Zahnpositionen veranschaulicht sind:
in der Richtung der Wellenausbiegung (00), in der darauf senkrechten Richtung (900,
2700) und in der der Wellenausbiegung entgegengesetzten Richtung (1800) Die dynamische
Wirkung der axialen Schwingbelastungen wird von den elastischen Klemmenelementen
- während die axiale Klemmung den. Federweg "h" zurücklegt - aufgezehrt.
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Wie aus dem Vorhergesagten eindeutig hervorgeht, können unter Anwendung
der erfindungsgemäßen Lösung - mit den traditionellen Lösungen verglichen - Wellen
mit einem viel günstigeren Schlankheitsgrad (1/d Verhältnis) verwendet werden.
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Infolge der Beseitigung der schädlichen Belastungen werden die Dimensionen
des Getriebes ausschließlich durch das Antriebsmoment bestimmt, wodurch das Gewicht
des Getriebes auf einen Normalwert vermindert werden kann.
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Die Abmessungen und das Gewicht der die akzessorische Belastung aufnehmenden
Achsenverlängerung wird durch die erforderliche Länge des Wellenvorsprungs bestimmt.
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Aus den oben erwähnten Darlegungen geht eindeutig hervor, daß die
erfindungsgemäße Lösung - mit den klassischen Lösungen verglichen - eine längere
Lebensdauer und ein geringeres strukturelles Gewicht bietet. Ein weiterer Vorteil
besteht darin, daß auch die Wartung des Getriebes vereinfacht wird, da die untere
Achsenverlängerung abgetrennt und ausgetauscht werden kann.