Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftübertragungskupplungen. Die Erfindung betrifft
insbesondere eine flexible Membrankupplung mit einem polygonal-förmigen, axialen Bohrloch
in einer Membran, die mit einem Abstandsrohr mit einem polygonal-förmigen Ende
zusammenpasst, und ein Verfahren zum Zusammenbauen und Auseinandernehmen von solch
einer Kupplung.
Hintergrund der Erfindung
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Flexible Kraftübertragungskupplungen wurden für die Übertragung von Rotationsenergie von
einer Vorrichtung zur anderen verwendet. Kraftübertragungskupplungen ermöglichen sowohl
winkelige als auch axiale Versetzung zwischen rotierenden Maschinen wie dem Antrieb und der
Antriebsseite. Kupplungen vom Membrantyp haben früher ein zentrales Bohrloch in der
Membran mit einer Keilnut verwendet, die einen Keil berührt, der an dem Ende des
Verbindungsschafts gebildet ist. Ein Beispiel einer typischen Keilwelle vom Stand der Technik
ist in Fig. 1 gezeigt.
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Keilwellenverbindungen und andere gewundene Querschnitte in den Verbindungen zwischen
Schäften und Membranbohrlöchern haben versagt, bei hoch beanspruchten Drehmoment-
Verbindungen viel zu leisten. Die Keilwellen werden typischerweise während der Verwendung
beschädigt, weil das Drehmoment die Keilwellenverbindung zerstört, was zu Unbeständigkeiten
in der Kupplung führt. Die Keilwellenverbindungen versagen teilweise aufgrund der großen
Anzahl an Spannungspunkten 6, die durch die Verbindung zwischen der Membran 2 und dem
Schaft 4 erzeugt werden. Während der Drehmomentübertragung, wird die Spannung an diesen
Punkten 6 konzentriert, was unvermeidlich in ein frühes Versagen der Kupplung resultiert.
Zudem, eher als eine gleichmäßige Drehmomentverteilung über die gesamte Oberfläche der
Verbindung, ist die Drehmomentübertragung während einer Übertragung im Uhrzeigersinn auf
die Seiten 8, und während einer Übertragung gegen den Uhrzeigersinn auf Seiten die 9
einschränkt. Die eingeschränkten Verwendungsflächen der Verbindung während der
Drehmomentübertragung resultieren nicht nur in konzentrierten Spannungsbereichen, die zu
frühem Versagen führen, sondern schränkt auch die Menge an potentiellem Drehmoment ein, die
übertragen werden könnte.
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Zudem sind einige Keilwellenkupplungen zusammengeschweißt, was sich zu den Kosten und der
Möglichkeit des Verzugs hinzufügt. Alternativ werden die Kupplungen manchmal verschraubt
oder sie werden mit Rückhalteelementen verwendet - diese zusätzlichen Teile fügen jedoch
Gewicht und Kosten zu der Kupplung hinzu. Um das zusätzliche Gewicht, Verzug und Kosten
zu vermeiden, die durch Extrateile verursacht werden, wird manchmal eine Presspassung
zwischen den Teilen verwendet, die durch die Verwendung von Temperaturänderungen gebildet
wird. Die Membran wird erhitzt, um dem Keilwellen-Bohrloch zu erlauben, sich auszudehnen.
Die Welle bzw. der Schaft wird mit Stickstoff gekühlt, um dem externen Keilwellen-Bohrloch zu
erlauben, sich zusammenzuziehen. Dann wird die Membran auf den Schaft bzw. die Welle
plaziert, um eine Presspassung zwischen den Keilnuten zu erzeugen. Zudem resultiert ein
Auseinandernehmen von verzahnten Membranen und Schäften bzw. Wellen, ungeachtet des zum
Zusammenbauen verwendeten Verfahrens, oft in wenigstens eine Deformation entlang
irgendeinem Teil der Keilwelle, das einen von beiden oder sowohl die Membran als auch den
Schaft bzw. die Welle, für weiteren Gebrauch ohne Zeitaufwendiger Reparatur betriebsunfähig
macht.
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U.S. Patent Nr. 4,411,634 von Hammelmann offenbart eine flexible Kupplung mit flexiblen
Membranen aus Pressmasse und Abstandshalterschäfte bzw. -Wellen aus Formverbundwerkstoff.
Die Kunststoffmembran mit einem intern gewundenen Bohrloch wird erhitzt, der Schaft bzw. die
Welle mit einer extern gewundenen Oberfläche wird in das Bohrloch eingeführt und der
Membran wird erlaubt, abzukühlen, um eine Dehnpassungsverbindung zwischen dem Schaft
bzw. der Welle und den zwei flexiblen Membranen zu erzeugen. Die Verwendung von
Kunststoff ist jedoch in vielen gewünschten Anwendungen nicht zufriedenstellend und das
Verfahren von Hammelmann konnte unter Verwendung der offenbarten gewundenen
Verbindung nicht mit Metallteilen nachgebildet werden. Obwohl die Referenz von Hammelmann
die scharfen Spannungpunkte einer konventionellen Keilwelle ausschließt, umfasst die gewellte
Keilwelle von Hammelmann immer noch eine große Anzahl von Spannungsflächen, d. h. die
Drehmomentübertragung ist auf eine Seite oder die andere einer "Noppe" eingeschränkt. Zudem
erfordert der gewundene Querschnitt, wie bei konventionellen Keilwellenquerschnitten, einen
hohen Prüfungsgrad vor Gebrauch, wird in einem großen Grad an Reibverschleiß beim Gebrauch
resultieren und resultiert manchmal in irreparablen Derformationen nach dem Auseindernehmen
nach Gebrauch.
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Folglich besteht ein Bedarf für eine Kupplungsauslegung, die Spannungspunkte und -flächen
ausschließt, während die Drehmomentübertragung verbessert wird. Es besteht weiterhin ein
Bedarf für eine Kupplungsauslegung, die ihre gesamte Verbindungsoberfläche für die
Drehmomentübertragung nutzt. Es besteht weiterhin ein Bedarf für eine Kupplungsauslegung,
die für leichtes Zusammenbauen und Auseinanderbauen geformt ist. Es besteht weiterhin ein
Bedarf für eine Kupplungsauslegung, die leicht zu inspizieren bzw. zu prüfen ist.
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In US-A-1912412 wird eine Wellen- und Muffenkupplung offenbart, die ausgelegt ist, die
Hauptprobleme zu überwinden, an denen die Keilwellenkupplungen leiden, nämlich
Flankenspiel. In dieser Kupplung ist der Schaft bzw. die Welle aus Flügeln hergestellt, die
Zylinderspitzen aufweisen, die an verschiedenen Verbindungspunkten mit ebenen Oberflächen,
benachbarten Oberflächen verbunden sind, die ihrerseits Tangenten bilden, um zylinderförmige
Segmente zu teilen. Die ebenen Oberflächen können von leicht konkav bis leicht konvex
variieren. Der Welle bzw. dem Schaft ist diese Form für die Einfachheit von Bearbeiten und
Abschleifen gegeben. Es gibt keine Andeutung darauf, dass die Spannungspunkte ausgeschlossen
werden.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kupplungsauslegung zu verwenden, die die
Drehmomentübertragung unter Verwendung einer gesamten Verbindungsoberfläche zwischen
einer Membran und einer Welle bzw. einem Schaft während der Drehung verbessert und die
Spannungspunkte ausschließt, die frühes Versagen verursachen können.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kupplungsauslegung zu
verwenden, die leicht zu inspizieren bzw. zu prüfen ist und die ohne Schädigung von Teilen
einfach zusammengebaut und auseinandergebaut werden kann.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Zusammenbauen
und Auseinanderbauen von Metallteilen von einer Kupplung unter Verwendung eines
thermischen Vorgangs einzusetzen.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindung bereitzustellen, die
Drehmoment-Übertragungs-fähig ist und axialer Trennung mit nicht-chemischen oder
nichtmetallurgischen Bindungen widersteht und ebenso fähig ist, Biegemomenten aufgrund der
Deformation der flexiblen Bauelemente zu widerstehen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung stellen wir eine Kraftübertragungskupplung zur Übertragung
von Rotationsenergie von einer ersten Vorrichtung zu einer zweiten Vorrichtung bereit, wobei
die Kupplung sowohl winkelige als auch axiale Versetzung zwischen der ersten und der zweiten
Vorrichtung erlaubt, wobei die Kupplung eine Kupplungswelle bzw. einen Kupplungsschaft mit
einem ersten Ende, einem ersten, von dem ersten Ende erstreckendes Schaftende, und eine erste
Membran mit einem Bohrloch umfasst, wobei das Bohrloch einen Querschnitt hat; der im
Wesentlichen dem Querschnitt des ersten Schaftendes angepasst ist, bei der die erste Membran
und das erste Schaftende durch eine Pressschrumpfpassung zusammen miteinander verbunden
sind und bei der ein Drehmoment an allen Punkten entlang der Verbindungsoberflächen der
ersten Membran und dem ersten Schaftende während einer vollständigen unidirektionalen
Rotation der Kupplungswelle bzw. -schafts übertragen wird, gekennzeichnet dadurch, dass
das erste Schaftende einen im Wesentlichen dreieckig geformten Querschnitt mit drei konvex
gerundeten Ecken und drei konvex gerundeten Seiten aufweist.
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Die Membran kann entweder eine welliges oder ein gerades Profil aufweisen. Die
konvexdreieckig geformte Welle ist vorzugsweise an dem Ende eines Abstandsrohrs lokalisiert.
Natürlich kann die Verbindung zwei Membrane verwenden, eines an jedem Ende des Rohrs. Ein
Absatz ist vorzugsweise zwischen dem dreieckig geformten Schaftende und dem Abstandsrohr
geformt. Beim Zusammenbauen der Kupplung wird eine Membran über das Schaftende plaziert
und ist mit dem Absatz anstossend, um eine relative Verlagerung zu der Membran über das
Abstandsrohr zu verhindern. Lokalisierte Spannungflächen, die erzeugt werden können, wenn
bestimmte Peripherieabschnitte einer Verbindung nicht während einer ganzen Drehung der
Drehmomentanwendung verwendet werden, sind in der vorliegenden Erfindung aufgrund der
konvexen dreickigen Form im Gegensatz zu einer Keilwellenverbindung oder einer konkaven
polygonalen Auslegung ausgeschlossen.
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Die Membran(e) und der Schaft bzw. die Welle sind vorzugsweise mit einer
Pressschrumpfpassung verbunden. Das Zusammenbauen der Elemente wird durch Erhitzen der
flexiblen Membran(e) auf eine Temperatur erreicht, die ausreichend ist, um den
Innendurchmesser der dreickigen Form zu veranlassen, sich zu einer Größe auszudehnen, die
gleich oder größer als der Durchmesser der dreieckigen Form des Schaftendes des Abstandsrohrs
ist, mit dem es verbunden werden soll. Die Teile werden dann verbunden und der Membran wird
erlaubt, abzukühlen. Während diesem Abkühlen verengt sich das Bohrloch an dem berührenden
Abstandsrohr, wobei eine Presspassung zwischen den zwei Teilen gebildet wird. Die
Presspassung zwischen den zwei Teilen verhindert eine Relativbewegung zwischen den Teilen
und der konvexen dreieckigen Form und die Presspassung überträgt das Drehmoment für das
Anwendungserfordernis. Das Verfahren vom Verbinden der flexiblen Membran mit dem
Abstandsrohr resultiert in einer sicheren Verbindung zwischen den Teilen. Es schließt die
Notwendigkeit vom Anwenden von übermäßiger Kraft auf die Teile beim Zusammenbauen aus,
um eine vergleichbare Verbindung unter Verwendung einer Schrumpfpassung zu erreichen. Es
schließt ebenfalls das Erfordernis zum Schweißen oder des Verwendens von zusätzlichen Teilen
wie Halter und Schraubenverbindungen aus, was heutzutage das allgemeine Verfahren für diese
Verbindung ist.
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Es wird nun eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mittels eines Beispiels unter
Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 eine Vorderansicht einer Membran und Welle gemäß dem Stand der Technik unter
Verwendung einer Keilwellenverbindung ist.
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Fig. 2 eine Querschnitts-Ansicht einer flexiblen Membran-Kupplung in einer bevorzugten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.
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Fig. 3 eine Seitenansicht eines Abstandsrohrs für die Kupplung der vorliegenden Erfindung ist.
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Fig. 4 eine Draufsicht eines Abstandsrohrs der vorliegenden Erfindung ist.
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Fig. 5 A und 5B Querschnitts-Ansichten von verschiedenen Ausführungsformen von
Membranen der vorliegenden Erfindung sind.
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Fig. 6 eine Draufsicht einer Membran der vorliegenden Erfindung ist.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 2 umfasst eine zusammengebaute Kupplung ein Antriebselement 10,
das angepasst ist, einen Schaft einer Drehkraftvorrichtung anzupassen. Ein gleichartiges
angetriebenes Element 12 ist angepasst, einen Schaft einer Drehkraftvorrichtung anzupassen. Das
Antriebselement 10 und das angetriebene Element 12 sind durch ein Abstandsrohr 14 und
flexible Membranen 16 und 18 verbunden. Obwohl Bezugszeichen 14 als ein "Rohr" bezeichnet
wird, sollte klar sein, dass es in Abhängigkeit einer besonderen Anwendung hohl oder nicht hohl
sein kann. Membranschutzschilder 26 und 28 fungieren als Anti-Dreschflegel-Vorrichtung im
Falle eines Membranversagens. Sie schützen ebenfalls die freien Oberflächen der flexiblen
Membrane 16 und 18.
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Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, weist das Abstandsrohr 14 ein konvexes dreieckig geformtes
Schaftende 20 an einem zylinderförmigen Schaft 22 auf. Der resultierende Absatz 24, der durch
Bearbeiten der konvexen dreieckigen Form 20 an dem zylinderförmigen Schaft 22 erzeugt wird,
ist ein Anschlag zum Zusammenbauen einer flexiblen Membran an das Abstandsrohr 14. Der
Absatz 24, der sich typischerweise an jedem Ende befindet, bestimmt auch die Gesamtlänge für
ein besonderes Auslegungserfordernis. Diese Absätze 24 helfen beim Zusammenbauen einer
erhitzten flexiblen Membran, wie diskutiert werden wird, durch Fungieren als körperliche
Anschläge beim Lokalisieren der flexiblen Membrane 16 und 18 an dem Abstandsrohr 14. Das
dreieckig geformte Schaftende 20 weist eine ausreichende Länge auf, um die
Auslegungsbedingungen anzupassen und als ein Minimum muss die Länge gleich zu der Länge
der flexiblen Membrannabe sein. Ein Schaftende 20 mit gegebenem Durchmesser wird, wenn es
als ein konvexes Dreieck hergestellt ist, eine etwa 35% längere Ermüdungslebensdauer im
Vergleich zu einer konventionellen Keilnut haben.
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Die konvexe dreieckige Form des Schaftendes 20 ist in Fig. 4 gezeigt. Die Ecken sind konvex
gerundet, um scharfe Spannungspunkte auszuschließen. Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sind die Kanten
der dreieckigen Form ebenfalls konvex gerundet, um einen glatteren Übergang zwischen den
Ecken und Kanten bereitzustellen, wobei weiterhin die Spannungsfläche vermindert wird.
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Wie in Fig. 5A und 5B gezeigt ist, können die Membrane ein welliges Profil 30, wie bei
Membran 16 gezeigt ist, oder ein gerades Profil 32, wie bei Membran 18 gezeigt ist, in
Abhängigkeit von ihrer Verwendung aufweisen. Das wellige Profil passt die äußere radiale
Beanspruchung an, die aus dem Zusammenbauen der Stücke resultiert, während eine Membran
ohne welliges Profil krumm werden oder "versagen" kann, was ungünstig sein kann. Jedes Profil
kann für jede Membran verwendet werden und die in Fig. 2 gezeigte Konfiguration ist nur zum
beispielhaftem Zwecke.
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Das Membranschutzschild und die Membran sind an dem Antrieb und den angetriebenen
Elementen durch eine Reihe von gleich beabstandeten Bolzen 36 und Muttern 38 befestigt, wie
in Fig. 2 gezeigt ist. Die flexiblen Membrane 16 und 18 weisen eine gerundetes
dreickiggeformtes Bohrloch 40 auf, das konzentrisch zu den Montagebolzenlöchern 41 gebildet ist, wie
in Fig. 6 gezeigt ist. Vorzugsweise ist das Bohrloch 40 derart dimensioniert, dass seine effektive
Größe kleiner ist als das dreieckig-geformte Schaftende 20 des Abstandsrohrs.
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Diese Differenz zwischen den effektiven Durchmessern der flexiblen Membran und des
Abstandsrohrs ist derart dimensioniert, dass die den berührenden Teilen auferlegte
Umfangsspannung und die Axialkraftleistung der Verbindung die Auslegungserfordernisse für
die Größe der flexiblen Membran trifft. Die Menge an Drehmoment, die von dem Rohr 14 zu der
Membran übertragen wird, ist proportional zu der Oberfläche der Verbindung, die das
Drehmoment überträgt, folglich sind die Schäfte mit den größtmöglichen konvexen polygonalen
Querschnitten ausgelegt. Die maximal zulässige Beanspruchung, die durch die Kupplung
übertragen werden kann, ist jedoch im Allgemeinen durch die Festigkeit der Nabe 42 der
Membran begrenzt. Der Nabenabschnitt 42 der Membran ist der Abschnitt, in den das Bohrloch
40 durchgeht. Die ideale Situation tritt auf, wenn die Nabenfestigkeit von Nabe 42 und die
Schaftfestigkeit des Schafts 20 korrekt aufeinander abgestimmt sind.
Industrielle Anwendbarkeit
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Eine Schrumpfpassungsverbindung zwischen den flexiblen Membranen 16, 18 und Abstandsrohr
14 kann durch gleichförmiges Erhitzen der flexiblen Membrane 16, 18 auf eine Temperatur
durchgeführt werden, die ausreichend ist, um die Bohrlöcher 40 der flexiblen Membrane auf
einen leicht größeren als den effektiven Durchmesser des Polygondurchmessers des
Abstandsrohrs auszudehnen. Die Membranschutzschilder 26, 28 werden über das Abstandsrohr
14 plaziert. Die erhitzen flexiblen Membrane 16, 18 werden dann über das Abstandsrohr 14
geschoben und gegen die Absätze 24 an dem Abstandsrohr 14 positioniert. Dies ist für jedes
Ende typisch. Wenn die flexiblen Membrane 16, 18 abkühlen, ziehen sie sich zusammen, wobei
eine Schrumpfpassungsverbindung der flexiblen Membrane 16, 18 mit dem Abstandsrohr 14
hergestellt wird. Die Schrumpfpassungsverbindung sichert die flexiblen Membrane 16, 18 starr
an den Schaftenden 20.
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Alternativ kann eine Schrumpfpassungverbindung auch durch Abkühlen des Abstandsrohrs 14
auf eine Temperatur durchgeführt werden, die ausreichend ist, um den effektiven Durchmesser
des Abstandsrohrdurchmessers zusammen zu ziehen, um kleiner als der effektive Durchmesser
der Polygonbohrlöcher 40 der flexiblen Membrane zu sein. Das Abstandsrohr 14 wird sich dann
ausdehnen, wenn der Schaft aufwärmt, wobei die gewünschte Schrumpfpassungsverbindung
gebildet wird. Alternativ können die Membrane 16, 18 erhitzt und das Abstandsrohr 14 gekühlt
werden, um die selben Resultate einer Schrumpfpassung herzustellen.
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Wenn die Kupplung zur Reparatur oder einem anderen Grund auseinander gebaut werden muss,
kann das vorstehend beschriebene Verfahren leicht ohne Beschädigung der Teile aufgrund dem
Mangel an Austiefungen in den Polygon-förmigen Schaftenden 20 umgekehrt werden. Folglich
stellt die vorliegende Erfindung eine Verbindung bereit, die fähig ist, unter der Verwendung von
thermischen Vorgängen ohne Verlust an Unversehrtheit auseinander und wieder zusammen
gebaut zu werden, während es gleichzeitig ohne die Verwendung von zusätzlichen Kleinteilen
selbstgenügsam ist, um es für korrektes Funkionieren angemessen zu sichern.
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Die vorstehend beschriebene Kupplung stellt folglich vielzählige Vorteile gegenüber dem Stand
der Technik bereit. Die Kupplung der vorliegenden Erfindung erlaubt eine erhöhte Bearbeitungs-
und Prüf- bzw. Inspektionsfehlerfreiheit versus einer verzahnten Konfiguration aufgrund der
Leichtigkeit, einer Schrumpfoberflächenlinie in der Verbindung zwischen der Membran und dem
Abstandsrohr zu folgen. Die Verbindung kann aus unterschiedlichen Metallen, gegebenenfalls
mit speziellen Beschichtungen, versus einer Schweißkonfiguration, bestehen. Zudem wird die
Polygonverbindung die zusätzliche NDT (zerstörungsfreie Prüfung) Prüfung einer
Schweißverbindungsauslegung, einschließlich Ultraschall- und Magnetpulverprüfung
ausschließen. Die Polygonverbindung wird ebenfalls gegenüber einer Schraubenverbindung
bevorzugt, weil sie leichter ist und weniger Teile verwendet. Die Kosten der Polygonverbindung
sind geringer als bei einem Schweiß- oder anderen Bindeverfahren. Die Verbindung kann
vorteilhaft entweder nicht-metallisch, z. B. Kunststoff, oder metallisch sein, weil die
Polygonförmige Verbindung irgendeinem geeigneten Material erlaubt, das thermische Verfahren zum
Zusammenbauen der vorliegenden Erfindung zu verwenden, um die Verbindung ausreichend zu
formen. Zudem wird die erhöhte Oberfläche der Verbindung den Reibverschleißzustand
verringern, der im Allgemeinen bei verzahnten Verbindungen gefunden wird. Die
Polygonverbindung weist eine durchschnittlich um 35% erhöhte Drehmomentleistung gegenüber
einer Keilwellenverbindung mit der selben Nabenlänge und dem selben Durchmesser auf. Die
erhöhte Kontaktfläche der Verbindung erlaubt auch eine größere Axialbelastungsfähigkeit als
eine verzahnte Verbindung. Zudem kann eine sehr kurze BSE (Sollmass zwischen berührenden
Schaftenden) Längeneinheit mit der Polygonverbindungsauslegung erhalten werden.
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Es wird selbstverständlich klar sein, dass die vorliegende Erfindung vorstehend nur auf
beispielhaftem Wege beschrieben wurde und Detailmodifikationen in dem Schutzumfang der
Erfindung durchgeführt werden können.