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Spannvorrichtung zur drehfesten Verbindung
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einer Nabe mit einer Welle Die Erfindung betrifft eine Spannvorrichtung
zur drehfesten Verbindung einer Nabe mit einer Welle, bestehend aus einem geschlitzten
Außenspannring mit entgegengesetzt geneigten Innenkonusflächen und einer zylindrischen
Mantelfläche, die mit einer zylindrischen Bohrungsfläche der Nabe in Berührung kommt,
und mit einem konzentrisch innerhalb des Außenspannrings angeordneten, geschlitzten
Innenspannring mit entgegengesetzt geneigten Außenkonusflächen und einer zylindrischen
Bohrungsfläche, die mit einer zylindrischen Mantelfläche der Welle in Berührung
tritt, sowie aus zwei vorzugsweise geschlossenen, doppelkonischen Druckringen, die
von entgegengesetzten Seiten zwischen die genannten Spannringe greifen und die Durchgangsbohrungen
bzw. Bohrungen zum Einschrauben eines Kranzes von Spannschrauben aufweisen, durch
die die Druckringe zur radialen Aufweitung bzw. Zusammendrückung der Spannringe
axial gegeneinander bewegbar sind, und aus einem zwischen den genannten Spannringen
und zwischen den Druckringen angeordneten Reaktionsring mit Durchgangsbohrungen
für die Spannschrauben, der in zwischen den Konusflächen ausgebildete, umlaufende
Ausnehmungen in den Spannringen eingreift.
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Mit Spannvorrichtungen der beschriebenen Art lassen sich Wellen und
Naben auf besonders einfache Weise lösbar miteinander verbinden. Die Spannvorrichtungen
müssen dabei auf kleinstem Bauraum hohe Drehmomente übertragen und eine genaue Zentrierung
von Welle und Nabe gewährleisten.
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Um dies zu erreichen ist bei einer bekannten Spannvorrichtung (DE-PS
2 137 313), von der die Erfindung ausgeht, der Winkel der Konusflächen an den Spannringen
und den Druckringen so klein gehalten, daß er im Bereich der Selbsthemmung liegt.
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Hieraus resultiert ein großes Ubersetzungsverhältnis, so daß verhältnismäßig
große Vorspannkräfte und ein hohes übertragbares Drehmoment der Spannvorrichtung,bezogen
auf eine bestimmte Anzahl von Spannschrauben, gegeben ist. Um die Spannvorrichtung
lösen zu können, ist in schwalbenschwanzförmige Ausnehmungen der Spannringe ein
Reaktionsring eingesetzt, an dem sich in Abdrückgewindebohrungen in dem einen Druckring
eingeschraubte Spannschrauben abstützen können, um mit Hilfe der Spannschrauben
ein Lösen des Druckrings aus der Klemmposition zu ermöglichen. Darüberhinaus sind
durch den Reaktionsring der Innen- und Außenspannring zu einer unverlierbaren, radial
beweglichen Einheit formschlüssig gekuppelt. Die bekannte Spannvorrichtung hat jedoch
zahlreiche Nachteile, die ihrer Anwendung in der Praxis entgegen stehen. So wird
durch die schwalbenschwanzförmigen Ausnehmungen, in denen der Reaktionsring gelagert
ist, keine genaue axiale Fixierung zwischen dem Innenspannring und dem Außenspannring
erreicht. Stattdessen führt die Aufweitung des Außenspannrings und die Stauchung
des Innenspannrings zu einem axialen Spiel in der Lagerung des Reaktionsrings, so
daß beim Spannen eine axiale Verschiebung zwischen Innen- und Außenspannring auftreten
kann. Eine solche axiale Verschiebung ist äußerst unerwünscht, da sie zur axialen
Verspannung beispielsweise im Nabenbauteil führen kann. Die Bearbeitung der schwalbenschwanzförmigen
Ausnehmungen in den Spannringen und der korrespondierenden Konusflächen an dem Reaktionsring
ist recht aufwendig und läßt nur eine weniger hohe Bearbeitungsgenauigkeit zu.
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Die Vorzentrierung und die erreichbare Rundlaufgenauigkeit nach dem
Spannen sind daher bei der bekannten Spannvorrichtung unzureichend. Beim Lösen der
Spannvorrichtung kann sich der Reaktionsring mit seinen Konusflächen in den schwalbenschwanzförmigen
Ausnehmungen
verkeilen und dadurch die Demontage erheblich erschweren. Gleiches kann auch bei
der Montage der Spannvorrichtung auftreten, wenn das Montagewerkzeug nur an einem
der Spannringe angreift. Auch das Lösen des hinteren Druckrings der bekannten Spannvorrichtung
durch Schläge auf die Schraubenköpfe der gelösten Spannschrauben ist unzureichend,
da dies leicht zu Schäden an den Spannschrauben und dem Einschraubgewinde führen
kann.
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Es ist weiterhin eine Spannvorrichtung mit einem doppelkonischen Innenspannring
mit einem mittig im Scheitelbereich der Konusflächen angeordneten radialen Zentrierbund
und einer mit radialem Abstand angeordneten Außenspannringanordnung mit entgegengesetzten
Innenkonusflächen und mit in die Spannringe beidseitig konzentrisch eingesetzten,
geschlossenen, doppelkonischen Druckringen mit korrespondierenden Konusflächen bekannt
(DE-PS 26 11 201), bei der der radiale Zentrierbund mit einem Zylindrischen Außendurchmesser
in einer mittig angeordneten, umlaufenden Nut des geschlitzten, einteiligen Außenspannrings
gehaltert ist. Hierdurch sollen der Innen- und der Außenspannring eine unverlierbare
Einheit bilden und es soll die Übertragung hoher Drehmomente bei einer guten Zentrier-und
Rundlaufgenauigkeit erzielt werden. Diese bekannte Vorrichtung hat jedoch den Nachteil,
daß ihre Herstellung teuer ist. So läßt sich der Innenspannring mit dem radialen
Zentrierbund zweckmäßig nur als Schmiedeteil herstellen, was ein verhältnismäßig
teueres Verfahren darstellt. Weiterhin erfordert die Bearbeitung des Innenspannrings
ein wenigstens einmaliges Umspannen. Dies führt zu einer Verringerung der Herstellgenauigkeit
und zu einem erhöhten Bearbeitungsaufwand. Die einteilige Ausbildung des Innenspannrings
mit dem Zentrierbund, wobei der Innenspannring zudem noch ungeschlitzt ausgeführt
ist, hat weiterhin den Nachteil, daß sich besonders zwischen Innenspannring und
Welle eine ungünstige Verteilung der Flächenpressung einstellt, durch die
die
Übertragbarkeit hoher Drehmomente eingeschränkt wird.
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Das Lösen der bekannten Spannvorrichtung aus der Selbsthemmung kann
ohne zusätzliche Werkzeuge erfolgen, da sich die Spannschrauben an dem radialen
Zentrierbund abstützen können, der auch Gewindebohrungen zum Abdrücken des hinteren
Druckrings aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannvorrichtung der
eingangs bezeichneten Art zu schaffen, bei der die aufgezeigten Nachteile vermieden
sind. Insbesondere soll mit der vorliegenden Erfindung eine Spannvorrichtung geschaffen
werden, die in der Herstellung wirtschaftlich ist und deren einzelne Bauteile keine
langen und kostspieligen Bearbeitungsphasen erfordern. Ein weiteres Ziel der Erfindung
ist es, eine möglichst gleichmäßige Verteilung der radialen Spannkräfte über die
gesamte Länge der Spannringe zu erzielen, um dadurch die Übertragung eines möglichst
hohen Drehmoments zu ermöglichen. Schließlich wird angestrebt, daß die Spannvorrichtung
bereits im gespannten Zustand eine genaue Vorzentrierung von Welle und Nabe gewährleistet.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Reaktionsring
planparallele Seitenflächen und zylindrische, konzentrische Innen- und Außenflächen
aufweist und daß die Ausnehmungen in den Spannringen als Nuten mit rechteckigem
Querschnitt ausgebildet sind, in die der Reaktionsring paßgenau eingreift.
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Bei der erfindungsgemäßen Spannvorrichtung sind der Innenspannring
und der Außenspannring durch den in die Nuten eingreifenden Reaktionsring in axialer
Richtung starr miteinander verbunden, ohne daß ihre Aufweitbarkeit bzw. Zusammendrückbarkeit
in radialer Richtung eingeschränkt wird. Dies führt zu einer Reihe von Vorteilen,
die die erfindungsgemäße Spannvorrichtung gegenüber den bekannten Vorrichtungen
auszeichnet. So ist die erfindungsgemäße Spannvorrichtung sehr einfach zu montieren,
weil die Spannringe sich nicht in
einfach zu montieren, weil die
Spannringe sich nicht in axialer Richtung gegeneinander verschieben können und weil
keine radialen Spreizkräfte auftreten, durch die sich die Spannvorrichtung bei der
Montage verklemmen kann. Weiterhin ist eine genaue axiale Positionierung der Nabe
gegenüber der Welle möglich, da auch während des Spannvorganqs die Spannringe sich
in axialer Richtung nicht gegeneinander bewegen können. Die Einleitung von Axialspannungen
in das Nabenbauteil wird damit ebenfalls zuverlässig vermieden. Auch in radialer
Richtung sind der Innenspannring und der Außenspannring durch den zylindrischen
Reaktionsring bereits vor dem Spannen aneinander abgestützt und genau zueinander
zentriert, so daß beim Einsetzen der Spannvorrichtung zwischen eine Welle und eine
Nabe das Nabengewicht abgefangen und eine genaue Vorzentrierung erreicht werden
kann. Durch die Trennung zwischen den Spannringen und dem Reaktionsring bleibt die
radiale Verformbarkeit der Spannringe uneingeschränkt erhalten, so daß eine besonders
gleichmäßige Verteilung der Radialkräfte beim Spannen erzielt werden kann. Auch
in Bezug auf ihre Herstellung ist die erfindungsgemäße Spannvorrichtung sehr voteilhaft.
So bilden die Spannringe, die Druckringe und der Reaktionsring einfache Drehteile,
die sich mit geringem Material-und Zerspanungsaufwand aus rohrförmigem Halbzeug
als Abstechteile einfach und mit hoher Genauigkeit herstellen lassen. Dabei läßt
sich die Bearbeitung aller Bauteile jeweils in einer einzigen Aufspannung durchführen.
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Die erforderliche Steifigkeit, die der Reaktionsring benötigt, um
die beim Lösevorgang auftretenden Axialkräfte aufnehmen zu können, wird erfindungsgemäß
erreicht, wenn das Verhältnis von Breite zu Höhe des rechteckigen Querschnitts des
Reaktionsrings gleich oder größer 0,7 ist.
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Durch die in den weiteren Unteransprüchen angegebene vorteilhafte
Weiterbildung kann die erfindungsgemäße Spannvorrichtung
ohne Zuhilfenahme
besonderer Werkzeuge allein durch Umsetzen einzelner Spannschrauben aus der Selbsthemmung
gelöst werden, wobei sich die umgesetzten Spannschrauben jeweils an dem zu lösenden
Druckring und dem Reaktionsring abstützen.
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Hierbei wird durch die planparallele Ausbildung des Reaktionsrings
und den rechteckigen Querschnitt der Nuten das Auftreten von radialen Klemmkräften
vermieden, so daß die Spannvorrichtung nach dem Lösen der Druckringe leicht demontiert
werden kann.
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Weiter Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt
ist. Hierbei zeigen Fig. 1 einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Spannvorrichtung,
Fig. 2 eine Querschnitt entlang der Achse 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 und 4 Teilschnitte
der Spannvorrichtung gemäß Fig. 1, die die näheren Einzelheiten des Abdrückens der
Druckringe zum Zweck des Lösens der Spannvorrichtung darstellen, und Fig. 5 eine
Graphik, in der die Verteilung der Radialpressungen oder der Radialkräfte entlang
einem Längsschnitt der Spannvorrichtung gemäß Fig. 1 dargestellt ist.
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Wie in der Zeichnung dargestellt, dient die Spannvorrichtung zur Verbindung
einer Welle 1 mit einem beliebigen, drehenden Organ, von dem teilweise dessen Hohlnabe
2 zu sehen ist. Die Spannvorrichtung ist zwischen der zylindrischen Außenfläche
la
der Welle 1 und der zylindrischen Innenfläche 2a der Nabe 2 angeordnet. Sie umfaßt
einen Außenspannring 3 und einen Innenspannring 4, der koaxial zu ersterem angeordnet
ist. Beide Spannringe 3, 4 sind in Längsrichtung bei 5 bzw. bei 6 geschlitzt, um
eine Aufweitung bzw. eine Zusammenziehung ihrer Durchmesser zu ermöglichen.
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Der Außenspannring besitzt eine zylindrische Mantelfläche 7, die mit
der zylindrischen Innenfläche 2a der Nabe 2 in Berührung kommt, sowie gegenüberliegende,
entgegengesetzt konische Flächen 8a, 8b, die zur Ebene der Quermittellinie der Spannvorrichtung
hin konvergieren. Korrespondierend hierzu weist der Innenspannring 4 eine mit der
zylindrischen Außenfläche la der Welle 1 in Berührung kommende zylindrische Bohrungsfläche
9 auf, sowie entgegengesetzt konische Flächen 10a, l0b auf seiner gegenüberliegenden
Außenseite, deren Neigung derjenigen der konischen Flächen 8a, 8b des Außenspannrings
3 entgegengerichtet verläuft.
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Zwei konische Druckringe 11 und 12 mit beidseitiger konischer Ausbildung
entsprechend derjenigen der Flächen 8a, 8b, 10a und 10b sind einander entgegengesetzt
seitlich zwischen den Spannringen 3 und 4 angeordnet. Spannschrauben 13, von denen
nur eine in Fig. 1 dargestellt ist, sind längs einem Kranz von durchgehenden Bohrungen
14 in einem der Druckringe, zum Beispiel im Druckring 11 angeordnet und sind mit
ihrem Gewindeschaft in entsprechende Gewindebohrungen 15 im anderen Druckring 12
eingeschraubt.
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Innerhalb der Spannringe 3, 4 und in einer Lage zwischen den Druckringen
11, 12 ist ein Reaktionsring 18 angeordnet, der als Abstützung für Abdrückschrauben
16 und 17 in der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Weise geeignet ist. Der Reaktionsring
18 weist planparallele Seitenflächen und zylindrische,
konzentrische
Innen- und Außenflächen auf und ist mit seinem radial inneren und radial äußeren
Rand paßgenau in Nuten 19, 20 von rechteckigem Querschnitt aufgenommen, die in der
Ebene der Mittellinie zwischen den einander entgegengesetzten konischen Flächen
8a, 8b bzw. l0a, 10b in die beiden Spannringe 3 und 4 durch maschinelle Bearbeitung
eingetieft sind. Auf diese Weise ist der Reaktionsring 18 mit seinem Außendurchmesser
formschlüssig in der Nut 19 im Spannring 3 und mit seinem Innendurchmesser formschlüssig
in der Nut 20 im Spannring 4 gelagert, wodurch er die beiden Spannringe 3, 4 in
axialer Richtung unverschieblich miteinander kuppelt, ohne jedoch ihre Verformbarkeit
in radialer Richtung zu beeinträchtigen.
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Der Reaktionsring 18 weist durchgehende Bohrungen 21 in Höhe der Spannschrauben
13 der Spannvorrichtung auf und er besitzt an mindestens zwei im wesentlichen diametral
gegenüberliegenden Stellen 22 eine Vollwand zur Abstützung der Enden derSchrauben
16, die zum Abdrücken des Druckrings 11 in mit den Stellen 22 fluchtende Gewindebohrungen
23 im Druckring 11 einschraubbar sind (Fig. 4). Ferner besitzt der Reaktionsring
18 zwei Gewindebohrungen 23a, die sich in einem Abstand von den zuvor genannten
Stellen 22 befinden und in die Schrauben 17 zum Abdrücken des Druckrings 12 eingeschraubt
werden können, nachdem der Druckring 11 abgedrückt und entfernt worden ist. Die
Enden der Schrauben 17 stützen sich dabei an einem Vollwandabschnitt des Druckrings
12 ab (Fig. 3).
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Die Handhabung der beschriebenen Spannvorrichtung ist einfach.
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Bei der Montage wird die vormontierte und locker durch die Spannschrauben
13 zusammengehaltene Spannvorrichtung in den Ringraum zwischen der Außenfläche la
der Welle 1 und der Innenfläche 2a der Nabe 2 geschoben. Hierbei wird bereits das
Nabengewicht über den Außenspannring 3, den Reaktionsring 18 und den Innenspannring
4 abgefangen und bereits eine genaue Vorzentrierung der Nabe 2 gegenüber der Welle
1 erzielt.
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Anschließend werden die in einem Kranz verteilt angeordneten Spannschrauben
13 gleichmäßig angezogen, wodurch sich die Druckringe 11, 12 zwischen die konischen
Flächen 8a, 10a und 8b, 10b schieben und eine Aufweitung des Außenspannrings 3 sowie
eine Zusammendrückung des Innenspannrings 4 bewirken.
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Hierdurch wird entsprechend dem Anzugsmoment der Spannschrauben 13
eine radiale Pressung zwischen der Welle 1, der Spannvorrichtung und der Nabe 2
erzielt, die die erforderliche Reibkraft zur Übertragung eines hohen Drehmoments
erzeugt.
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Während des Spannens hat der Reaktionsring 18 die Aufgabe, eine axiale
Verschiebung zwischen dem Außenspannring 3 und dem Innenspannring 4 zu verhindern.
Die Nabe 2 läßt sich daher auf der Welle 1 in axialer Richtung genau positionieren
und es wird eine Beeinträchtigung der Rundlaufgenauigkeit durch axialen Versatz
der Spannringe vermieden. Das Lösen der Spannvorrichtung erfolgt auf einfache Weise,
ohne daß hierzu besondere Werkzeuge benötigt werden. Zunächst werden die Spannschrauben
23 entfernt. Dann wird nacheinander, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt, zunächst der
Druckring 11 und dann der Druckring 12 abgedrückt. Die Radialpressung zwischen der
Welle 1, der Nabe 2 und der Spannvorrichtung wird dadurch völlig aufgehoben, so
daß die Nabe 2 leicht von der Welle 1 abgezogen werden kann.
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Fig. 5 der Zeichnung zeigt die Verteilung der Radialpressungen bzw.
der Radialkräfte entlang einer beliebigen Mantellinie der beschriebenen Spannvorrichtung.
Die Kurve A im oberen Diagramm dieser Figur zeigt die radiale Pressung P1, mit der
der Außenspannring 3 auf die Nabe 2 einwirkt. Wie der Darstellung zu entnehmen ist,
zeigt die Pressung P1 im wesentlichen einen konstanten Wert, der nur im Bereich
des Reaktionsrings 18 geringfügig abnimmt. Eine solche gleichmäßige Pressungsverteilung
ermöglicht eine gute Ausnutzung der Druckfestigkeit des Werkstoffs und damit die
Übertragung entsprechend hoher Drehmomente. Die Kurve B im unteren
Diagramm
zeigt die Pressung P2 am Innenspannring 4, die einen im gleichen Maße günstigen
Verlauf hat.
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Zum Vergleich zeigen die weiterhin eingetragenen, gestrichelten Kurven
C und D die Verteilung der Radialpressung, wie sie sich bei der bekannten Spannvorrichtung
nach der DE-PS 26 11 201 ergibt. Bei dieser Spannvorrichtung verhindert die Formsteifigkeit
des an dem Innenspannring angeordneten Zentrierbundes den Aufbau einer Radialpressung
im mittleren Bereich des Innenspannrings, wie die beiden Kurven D zeigen. Entsprechend
stellt sich am Außenspannring im mittleren Bereich eine vergleichsweise zu hohe
Pressung ein, die zu den Randbereichen des Außenspannrings hin stark abfällt. Durch
die ungleichmäßige Pressungsverteilung und die entsprechend fehlende Reibungskraft
läßt sich mit dieser bekannten Spannvorrichtung nur ein kleineres Drehmoment übertragen.