DE4307004A1 - Element zum spielfreien Zentrieren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Element nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Element ist beispielsweise eine Spannhülse der Bauart Spieth (vgl. Dubbel, Taschenbuch für Maschinen­ bau, Springer-Verlag, Berlin 1987, 16. Auflage, S. G62).

Ein spielfreies Zentrieren eines Rotationskörpers in einem Außenteil mit einer Bohrung erfolgt üblicherweise durch eine Preßpassung, d. h. der Innendurchmesser der Bohrung ist kleiner als der Außendurchmesser des Rotationskörpers ausgebildet. Damit der Rotationskörper überhaupt in die Bohrung einführbar ist, bedarf es einer axialen Krafteinwirkung, einer Erwärmung des Außenteiles oder einer Abküh­ lung des Rotationskörpers und zusätzlich enger einzuhal­ tender Herstellungstoleranzen von Rotationskörper und Boh­ rung. Enge Herstellungstoleranzen verteuern jedoch die Fertigung des Rotationskörpers und der Bohrung. Wird der Rotationskörper aus der Bohrung wieder entfernt, so ist die Passung normalerweise zerstört, d. h. bei erneutem Ein­ führen des Rotationskörpers in die Bohrung ist dieser nicht mehr spielfrei zentriert. Um ein mehrmaliges Entfer­ nen und Einführen des Rotationskörpers aus der und in die Bohrung zu ermöglichen, ist es üblich, Elemente zwischen Rotationskörper und Bohrung vorzusehen, wie beispielsweise in dem oben genannten Buch auf S. G62 abgebildete Verbindungselemente wie Ringfeder-Spannelemente, ein Ring­ federspannsatz, Sternscheiben oder eine Spannhülse, bei­ spielsweise der Bauart Spieth.

Diese Elemente haben den Nachteil, daß zumeist über eine axiale Längenveränderung der Elemente selbst oder von Ein­ zelelementen zueinander hohe radiale Kräfte auf den Rota­ tionskörper und das Außenteil mit Bohrung aufgebracht wer­ den, die sehr oft die Belastungsgrenze der jeweiligen Ma­ terialien übersteigen, so daß eine Beschädigung von Rotationskörper oder Außenteil erfolgt. Dies ist insbeson­ dere bei Erwärmung auf eine hohe Betriebstemperatur und bei unterschiedlichen Materialien von Rotationskörper und Außenteil der Fall. Da verschiedene Materialien unter­ schiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, kommt es bei Temperaturänderungen dazu, daß sich der Innendurchmes­ ser der Bohrung und der Außendurchmesser des Rotationskör­ pers unterschiedlich verändern, wodurch sich der bei Nor­ maltemperatur vorhandene Abstand zwischen Bohrung und Ro­ tationsteil vergrößert oder verkleinert. Wird der Abstand vergrößert, kann der Rotationskörper sogar in der Bohrung leicht bewegt werden, und wenn es sich um eine Welle-Nabe- Verbindung handelt, kann die Welle durchrutschen. Wird der Abstand geringer, steigen die radialen Kräfte sehr stark an. Besteht das Außenteil zudem aus einem spröden Mate­ rial, kann dieses dabei sehr leicht reißen oder platzen.

Besonders problematisch ist die Zentrierung eines metalle­ nen Rotationskörpers in einem Außenteil aus Keramik oder umgekehrt, da diese Materialien sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Wird der Abstand durch Temperaturveränderung zwischen Bohrung und Rotati­ onskörper sehr stark verringert und werden die radialen Kräfte erhöht, kann das Außenteil aus Keramik leicht plat­ zen. Zwar kann eine zwischen Rotationskörper und Bohrung angeordnete Spannhülse ausgleichend wirken, da sie bei we­ niger Abstand mehr zusammengedrückt wird, dieses Zu­ sammendrücken der Spannhülse führt jedoch auch zu einer Erhöhung der radialen Kräfte. Diese werden zusätzlich noch durch die Längenausdehnung der Spannhülse selbst bei zu­ nehmender Temperatur erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Element der im Oberbe­ griff des Anspruches 1 angegebenen Art so auszubilden, daß es bei Temperaturveränderungen zentrierend wirkt und zudem unterschiedliche Wärmeausdehnungen von Rotationskörper und Außenteil ohne wesentliche Erhöhung der zwischen diesen wirksamen radialen Kraft ausgleicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Elemente nach dem Stand der Technik werden bei radialer Belastung auf Biegung oder Knickung beansprucht und brin­ gen deshalb einer radialen Belastung einen hohen Wider­ stand entgegen. Sie führen damit zu einer starken Erhöhung der radialen Kräfte bei Temperaturänderungen.

Das Element nach der Erfindung, das aus wenigstens einer zwischen dem Rotationskörper und der Bohrung einzuset­ zenden, federelastischen Wendel mit axial voneinander be­ abstandeten Windungen besteht, hat ein Querschnittsprofil, das bei Temperaturänderung und Verringerung des Abstandes zwischen Rotationskörper und Bohrung tordiert wird. Im Ge­ gensatz zum Biegewiderstandsmoment eines Elements ist des­ sen Torsionswiderstandsmoment normalerweise relativ ge­ ring, so daß ein auf Torsion belastetes Element extrem fe­ derelastisch ist und zu keiner nennenswerten Erhöhung der radialen Kraft führt.

Der axiale Abstand zwischen den Windungen der Wendel ist wenigstens so groß, daß die erwartete maximale Torsion, die bei zu erwartender maximaler Temperaturveränderung auftritt, nicht zu einem Aneinanderpressen der Windungen in axialer Richtung führt. Dies würde nämlich wie bei an­ einander anliegenden Sternscheiben zu einer extremen Erhö­ hung der radialen Kraft führen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung bilden die Ge­ genstände der Unteransprüche.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 2 ist we­ nigstens entweder der am Rotationskörper oder der an der Bohrung anliegende Teil des Querschnittsprofils der Wendel halbkreisförmig und der andere Teil dazu axial versetzt angeordnet. Bei auftretenden radialen Kräften kann sich die Wendel über ihren halbkreisförmigen Teil abrollen, was Reibungsverluste minimiert. Das Element kann damit schon auf geringe radiale Kräfte reagieren, d. h. sich in Torsi­ onsrichtung abrollen. Der andere Teil des Querschnittspro­ fils muß dabei axial versetzt angeordnet sein, damit, im Querschnittsprofil gesehen, durch die radialen Kräfte ein Torsionsmoment entsteht.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 3 ist der andere Teil des Querschnittprofils der Wendel, d. h. der nicht halbkreisförmige Teil, im Bereich seiner Anlage an dem Rotationskörper oder der Bohrung gerade ausgebildet, wodurch eine Flächenberührung erreicht wird, die bei kur­ zen Elementen von Vorteil ist.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 4 ist der andere Teil des Querschnittprofils gekrümmt ausgebildet, wodurch wie bei dem halbkreisförmigen Teil eine Linienbe­ rührung mit dem Rotationskörper oder der Bohrung auftritt. Damit ist ein Wärmeübergang zwischen Rotationskörper und Bohrung über das Element erschwert.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 5 sind beide Teile des Querschnittprofils halbkreisförmig ausge­ bildet, was ein leichtes Abrollen sowohl an der Bohrungs­ wand als auch am Rotationskörper ermöglicht.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 6 ist die Wendel eine mehrgängige Wendel, die aus mehreren Teilwendeln zusammengesetzt ist. Die Teilwendeln haben vorzugs­ weise die gleiche Steigung. Wie bei zwei Schraubenfedern, die mehr oder weniger weit axial ineinander verdreht sein können, ist es auch bei den Teilwendeln möglich, daß sich diese axial nicht über ihre gesamte Länge parallel und in­ einander erstrecken, sondern nur in einem gewissen Bereich überschneiden. Bei einem sehr langen Rotationskörper, der an den Seiten gelagert ist und in der Mitte die größte Durchbiegung aufweist, kann beispielsweise durch zwei teilweise ineinander verdrehte Teilwendeln in der Mitte ein erhöhtes Gesamttorsionswiderstandsmoment der Wendel erreicht werden. Der Widerstand der Wendel auf spezielle Erfordernisse könnte aber auch durch mehrere Teilwendeln mit unterschiedlichen Querschnittsprofilen, die axial hin­ tereinander angeordnet sind, oder durch mehrere Teilwendeln mit unterschiedlichen Steigungen angepaßt werden.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 7 sind die Teilwendeln koaxial ineinander angeordnet. Bei zwei Teilwendeln ergibt sich damit eine äußere und eine innere Teilwendel. Äußere und innere Teilwendel liegen aneinander an und haben vorzugsweise unterschiedliche Gangrichtungen, d. h. eine Teilwendel ist rechtsgängig und die andere Teil­ wendel linksgängig. Damit wird vermieden, daß die äußere Teilwendel in radialer Richtung in den Bereich der inneren Teilwendel wandern kann. Je nachdem, ob der Boh­ rungsdurchmesser größer oder kleiner ist, können mehr oder weniger Teilwendeln koaxial ineinander angeordnet sein, wodurch auch bei größerem Abstand zwischen Boh­ rungsdurchmesser und Außendurchmesser des Rotationskörper ein spiel freies Zentrieren ermöglicht wird.

In der Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 8 ist die Wendel aus einem Material mit möglichst geringem Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten wie beispielsweise Titan gefertigt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Außenteil aus Keramik und der Rotationskörper aus Metall besteht.

Ausführungsbeispiele des Elementes nach der Erfindung wer­ den im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen nä­ her beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht des Elements nach der Erfin­ dung,

Fig. 2 eine Querschnittansicht des Elements nach Fig. 1 in eingebautem Zustand,

Fig. 3 eine vergrößerte Querschnittansicht einer weiteren Ausführungsform mit zwei ineinander angeordneten Teilwendeln, wobei die an dem Rotationskörper und der Bohrung anliegenden Teile des Querschnitts­ profils in gleicher Richtung axial versetzt ange­ ordnet sind,

Fig. 4 eine vergrößerte Querschnittansicht einer gegen­ über Fig. 3 abgewandelten Ausführungsform, bei der die an dem Rotationskörper und der Bohrung anlie­ genden Teile des Querschnittsprofils jeder Teil­ wendel in unterschiedlichen Richtungen axial ver­ setzt angeordnet sind, und

Fig. 5 eine vergrößerte Querschnittansicht von koaxial ineinander angeordneten Teilwendeln.

Fig. 1 zeigt ein Element in Form einer eingängigen Wendel 10 aus Titan mit relativ geringer Steigung. Einzelne Win­ dungen der Wendel sind geringfügig axial voneinander beab­ standet.

In Fig. 2 ist die Wendel 10 zwischen einem Rotationskörper 20 aus Metall und einer Bohrung 28 in einem Außenteil 30 aus Keramik angeordnet. Der Rotationskörper 20 hat einen Bund 24, eine sich daran anschließende Paßfläche 22, an der die Wendel 10 radial anliegt, und einen sich an die Paßfläche anschließenden Gewindeteil 26. Das Außenteil 30, das radial an der Wendel 10 anliegt und diese umschließt, ist durch eine auf das Gewindeteil 26 aufgeschraubte Mut­ ter 32 axial gegen den Bund 24 gepreßt, so daß eine kraft­ schlüssige Verbindung zwischen Rotationskörper 20 und Außenteil 30 gewährleistet ist. Da das Außenteil 30 aus Keramik und der Rotationskörper 20 aus Metall besteht, ist diese Art der kraftschlüssigen Verbindung besonders vor­ teilhaft. Keramik ist nämlich gegenüber Zugbelastung im Gegensatz zu Druckbelastung sehr empfindlich, weshalb eine Preßpassung in Form einer Welle-Nabe-Verbindung normal er­ weise nicht verwendet wird. Die Zentrierung des Außenteils 30 auf dem Rotationskörper 20 erfolgt durch die Wendel 10.

Die Wendel 10 hat ein Querschnittsprofil mit einem halb­ kreisförmigen, radial nach innen gerichteten Teil 12, der an der Paßfläche 22 anliegt. Ein anderer Teil 14 des Quer­ schnittsprofils ist axial versetzt vom Teil 12 angeordnet und geringfügig gekrümmt, so daß er flächig an der Bohrung 28 anliegt. Der Teil 14 des Querschnittsprofils kann bei­ spielsweise durch ein Außenrundschleifen der Wendel 10 hergestellt werden.

Um ein spielfreies Zentrieren zu ermöglichen, muß der Außendurchmesser der Wendel 10 in nicht eingebautem Zu­ stand (d. h., wenn die Wendel 10 an der Paßfläche 22 an­ liegt und das Außenteil 30 noch nicht aufgesetzt ist) grö­ ßer als der Durchmesser der Bohrung 28 sein. Durch Auf­ setzen des Außenteils 30 auf die Wendel 10 und durch Temperaturveränderungen erfährt die Wendel 10 eine radiale Kraft, die in Fig. 2 durch die Einzelkräfte F₁ und F₂ ge­ zeigt sind. Die Kraft F₁ greift an dem halbkreisförmigen Teil 12 des Querschnittsprofils an und ist radial nach au­ ßen gerichtet. Die Kraft F₂ greift an dem gekrümmten, an­ deren Teil 14 des Querschnittsprofils an und ist radial nach innen gerichtet. Die Kräfte F₁ und F₂ sind axial ver­ setzt zueinander angeordnet und üben deshalb ein Torsions­ moment auf die Wendel 10 aus. Die Wendel 10 tordiert, dreht sich also und rollt dabei um den halbkreisförmigen Teil 12 des Querschnittsprofils ab. Zwischen halbkreisför­ migem Teil 12 und Paßfläche 22 entsteht dabei keine Rei­ bung. Durch das Verdrehen der Wendel 10 verdrehen sich die einzelnen Windungen, wie anhand von Fig. 2 nachzuvollzie­ hen ist, nach innen, d. h. die federelastische Wendel 10 legt sich näher an die Paßfläche 22 an und verringert da­ mit ihren Außendurchmesser. Das Querschnittsprofil ist so ausgelegt, daß es ein Torsionswiderstandsmoment hat, das groß genug ist, um die Zentrierfunktion zu übernehmen, je­ doch nicht zu groß ist, um einer Verengung und Aufweitung des Außenteils 30 bzw. des Rotationskörpers 20 zu viel Wi­ derstand entgegenzubringen.

In Fig. 3 ist die Wendel 10 eine zweigängige Wendel und besteht aus den Teilwendeln 40 und 50, die jeweils gleiche Steigung haben. Die Teilwendeln 40 und 50 besitzen im Querschnittsprofil jeweils einen halbkreisförmigen Teil 44 bzw. 54, der an der Paßfläche 22 anliegt, sowie einen axial versetzt dazu angeordneten Teil 42 bzw. 52, der an der Bohrung 28 anliegt und ebenfalls jeweils halbkreisför­ mig ausgebildet ist. Die Teile 42 und 44 des Quer­ schnittsprofils der Teilwendel ,40 sind in gleicher Rich­ tung axial zueinander versetzt angeordnet wie die Teile 52 und 54 der Teilwendel 50. Die Teilwendeln 40 und 50 erge­ ben zusammen ein größeres Gesamttorsionswiderstandsmoment als wenn nur eine der Teilwendeln 40, 50 als eingängige Wendel verwendet wird.

Zusätzlich kann die Wendel 10 auch zur Drehmomentübertra­ gung beitragen und eine Welle-Nabe-Verbindung sein. Ist die Wendel 10 beispielsweise rechtsgängig und sind die Teile 42, 44 und 52, 54 des Querschnittsprofils zusätzlich in derselben Richtung axial versetzt, so bewirkt ein Ver­ drehen in Gangrichtung ein Aufrichten und Aufspreizen der Wendel 10. In Fig. 3 würden die Teilwendeln 40 und 50 ver­ suchen, sich in radialer Richtung aufzustellen, und würden damit zwar die radial wirkende Kraft erhöhen, sie könnten aber dabei entgegen der Gangrichtung drehmomentübertragend wirken. Ein Drehmoment in Gangrichtung könnte nicht über­ tragen werden.

In Fig. 4 ist eine Drehmomentübertragung in beiden Rich­ tungen möglich, denn die Teilwendeln 40 und 50 haben ein Querschnittsprofil, bei dem die Teile 42 und 44 der Teil­ wendel 40 in einer anderen Richtung axial versetzt sind als die Teile 52 und 54 der Teilwendel 50. Soll die Wendel 10 ein Drehmoment übertragen, sind flächige oder spitze, krallenhafte Formen der Teile des Querschnittsprofils bei bestimmten Anwendungsfällen vorteilhaft.

In Fig. 5 sind die Teilwendeln 40 und 50 koaxial ineinan­ der angeordnet, wobei die Teilwendel 40 rechtsgängig und die Teilwendel 50 linksgängig ist. Durch diese koaxiale Anordnung (ähnlich einer Schichtung) von Teilwendeln kann ein großer Abstand zwischen der Bohrung 28 und dem Rotati­ onskörper 20 ausgeglichen werden. Bei Temperaturerhöhung rollen sich die Teilwendeln 40 und 50 aneinander ab, sie legen sich also näher an die Paßfläche 22 an und passen sich selbst dem ihnen zur Verfügung stehenden Abstand zwi­ schen Paßfläche 22 und Bohrung 28 an. Bei Temperaturer­ niedrigung stellen sich die Teilwendeln 40 und 50 wieder auf. Das Gesamttorsionswiderstandsmoment von koaxial in­ einander angeordneten Teilwendeln ist gering.

Der Widerstand, den die Wendel 10 den Durchmesseränderun­ gen durch Temperaturveränderungen entgegenbringt, ist auch durch die Steigung vorwählbar. Bei einer hohen Steigung ist die Wendel 10 sehr steif.

Da sich die Wendel 10 stets ihrem zur Verfügung stehenden Abstand anpaßt, können Paßfläche 22 und Bohrung 28 in ei­ nem größeren akzeptablen Bereich von Herstellungstoleran­ zen liegen, wodurch die Bearbeitungskosten stark reduziert werden.

Claims (8)

1. Element zum spielfreien Zentrieren eines Rotationskör­ pers (20) in einer Bohrung (28), dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierelement aus wenigstens einer zwischen dem Rotationskörper (20) und der Bohrung (28) einzusetzenden, federelastischen Wendel (10) besteht, deren Windungen axial voneinander beabstandet sind und die ein derartiges Querschnittsprofil hat, daß sie bei radialer Belastung auf Torsion beansprucht wird.

2. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens entweder der am Rotationskörper (20) oder der an der Bohrung (28) anliegende Teil (12; 42, 44, 52, 54) des Querschnittsprofils der Wendel (10) halbkreisförmig und der andere Teil (14; 42, 44, 52, 54) dazu axial ver­ setzt angeordnet ist.

3. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Teil (14) des Querschnittprofils der Wendel (10) im Bereich seiner Anlage an dem Rotationskörper (20) oder der Bohrung (28) gerade ausgebildet ist.

4. Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Teil (14) des Querschnittprofils der Wendel (10) im Bereich seiner Anlage an dem Rotationskörper (20) oder der Bohrung (28) gekrümmt ausgebildet ist.

5. Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Teil (14; 42, 44, 52, 54) des Querschnittpro­ fils halbkreisförmig ausgebildet ist.

6. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wendel (10) eine mehrgängige Wendel ist, die aus mehreren Teilwendeln (40, 50) zusammengesetzt ist.

7. Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwendeln (40, 50) koaxial ineinander angeordnet sind.

8. Element nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Wendel (10) aus einem Material mit möglichst geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten ist.