EP3106673A1 - Lüfter mit mindestens einem lüfterrad und/oder weiteren lüfterteilen sowie verfahren zur herstellung eines lüfterteils eines lüfters - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a fan according to the preamble of claim 1 and a method for producing a fan part of a fan according to the preamble of claim 11 and 14 respectively.
- tie-in seams frequently represent weak points.
- a flat area within an injection-molded part is designated as a tie-line, which results from the fact that two separate partial flows of the liquid plastic flow together in the mold cavity during the injection molding process. Since the temperature of these partial flows is usually too low, an optimal fusion of the partial flows is no longer possible, whereby the weld line is formed.
- reinforcing fibers are usually aligned along the weld line, that is, they do not bridge the weld line and therefore do not reinforce.
- Tie lines occur in particular when the injection-molded part has a not simply contiguous component volume, for example as a result of holes or more fan blades, which are integrally connected to a hub and a cover ring.
- weld lines can also occur when plastic is injected at an injection molding in several places. Nevertheless, to achieve a high load capacity in injection-molded plastic parts with weld lines, different precautions met. For example, more material is used, especially in the weld line region or high-strength materials, which, however, drives up the manufacturing costs and / or the weight of the fan part, which means that fans can no longer be produced economically. With fans, it is also customary to manufacture particularly loaded fan parts made of metal. This also leads to additional costs and / or extra weight in the production of the fan.
- Blow molded parts made of injection molded plastic also have strength-critical areas in addition to weld lines.
- transition points within a component for example, from fan blades to rings, such as hub ring or cover ring, are often critical to strength.
- connection areas such as, for example, holes for screws, bushes or other inserts or receptacles for shafts or the like, may be strength-critical points.
- fan parts with such strength-critical areas are not feasible in plastic injection molding, or only with the use of expensive, high-strength injection molding or large wall thicknesses.
- fan parts in particular fan wheels, fan blades, suspensions or adapter hubs, are also critical to deformation, i. a permissible for the proper operation of a fan deformation is so low that a fan part is not feasible in plastic injection molding, or only by the use of very expensive injection molding or very large wall thicknesses.
- the invention has the object of providing the generic fan and the generic method in such a way that the fan can be made with high resilience in terms of component failure and allowable component deformation easy, low component weight and cost.
- reinforcing elements are used in the stress-critical or deformation-critical areas, which are developable from a coil, quasi-endless fiber reinforced tapes.
- the reinforcing tapes can be easily unwound from the bobbin and cut to the required length. This allows a simple, flexible and economical way of manufacturing.
- the reinforcing bands are partially or completely embedded in the thermoplastic material, from which a fan, a fan blade or another fan part is made.
- One or more fan parts of the fan according to the invention can thus be manufactured inexpensively by injection molding.
- the reinforcing straps substantially increase the load capacity of at least one fan member, whereby the limit speed at which the fan can be operated can also be greatly increased, or whereby wall thickness and thus material usage and weight can be saved in the design of the fan member, or whereby a fan portion can be realized in plastic injection is only possible.
- the high load capacity of a fan has the advantage that for a required amount of air small, compact fans can be used, which can be operated with correspondingly higher speeds.
- the thermoplastic material is preferably a fiber-reinforced plastic, in which the reinforcing bands are additionally introduced.
- the reinforcing bands can be specifically introduced with regard to the position and the direction of action in a fan, a fan blades or in other fan parts.
- the reinforcing straps may be positioned and aligned to accommodate the major stresses of the corresponding fan member or to avoid or at least reduce deformation in critical directions.
- the reinforcing band surrounds an inflow opening of a fan wheel in an annular manner at a distance.
- the reinforcing band ensures that the critical edge region of this inflow opening is sufficiently reinforced.
- At least one reinforcing strip extends transversely to at least one weld line of a fan part. Binding seams form stress-critical areas of a fan part, which are advantageously reinforced by transverse reinforcing bands.
- a reinforcing strip advantageously crosses weld lines, which may be located, for example, on the hub ring and / or cover ring of a fan wheel or on an adapter hub or a hub body.
- a plurality of reinforcing tapes can be provided above and / or next to each other in the fan part.
- an optimal positioning and thus reinforcement of the fan part in the region of its load-critical areas and / or its deformation-critical areas is easily possible.
- Another stress critical area of a fan is in a fan the transition of the fan blades to at least one integrally made with the fan blades ring, such as a hub ring or a cover ring. Therefore, it is advantageously possible to provide at least one reinforcement band in the region of this transition in such a way that it crosses the transition. With the reinforcement band, a fan wheel can be optimally reinforced in this critical area.
- the fan wheels, fan blades or other fan parts are often critical to deformation, ie their deformation, for example, their deflection in operation often reaches critical values for the operation. This is especially the case when fan blades, as often provided, have thin trailing edges, which are low in size Noise development be sought. Therefore, if in a preferred embodiment, the reinforcing tape is positioned in the region of the front and / or trailing edge of the fan blades, the fan blades can keep the advantage of acoustic reasons thin trailing edge or running with thin leading edges, without the use of the impeller to large deflections or Deformations for the fan blades to achieve. This training also leads to a considerable saving of material in the manufacture of a fan wheel.
- the reinforcing band may extend along the leading and / or trailing edges of the fan blades in the fan blade, the extension length being selected so that the fan blades are optimally reinforced in their critical edge region.
- the reinforcing tape can therefore extend over the entire length in the spanwise direction, but also only over a partial length of a fan blade.
- the reinforcing bands there is the risk of strongly sickened fan blades, as they are used in particular for axial fan, that they deform heavily in use and on the wall surrounding the fan wheel ring.
- the reinforcing bands even with a thin wall thickness of the fan blade and high speeds, a very strong sickling of the fan blade can be used without an undue deformation of the fan blade is to be feared. Since the sickle shape is sought in terms of optimum acoustic values, the use of the reinforcing bands, the desired high noise level of the fan can be achieved in a very simple and cost-effective manner.
- a fan can be made in one piece as injection molded part. But there are also fan wheels possible, which are composed of individual wings, which each consist of one piece of fan blades and connecting element, which are connected to a hub ring.
- the fan blades are each provided with a connection element, preferably designed as a wing base, with which the fan blades are held on the hub ring.
- Wing feet are advantageously dome-shaped, so that there is the possibility of turning the individual wings at least during assembly relative to the hub so that optimum angle of attack of the fan blades can be adjusted.
- reinforcing strips are advantageously accommodated in the connection element in such a way that they extend over the transition region from the connection element into the fan blade.
- the critical transition region between the connection element and the fan blade is thus optimally reinforced.
- the fan wheel has a hub ring
- at least one reinforcing band runs helically in the hub ring over the circumference of the hub ring.
- the hub ring is a heavily loaded component because it must ensure power transmission from the fan blades to the engine.
- a hub ring is pressed onto a shaft or other receptacles, resulting in significant stresses.
- the reinforcing band can be easily arranged in the injection mold.
- a helical shape ensures in a simple manner over the entire circumference of the hub ring a high load capacity.
- the reinforcing tape is unwound from the spool, different sized hub rings can be easily provided with the helically extending reinforcing tape. It is also advantageous to arrange a plurality of layers of reinforcing bands in each case helically such that the bands intersect. As a result, for example, a high torsional stiffness or bending stiffness of a hub ring can be achieved, depending on the choice of the pitch angle of the helical course.
- the helical reinforcing band extends over the entire height of the hub ring.
- individual wings of the hub ring consists of at least two mutually clamped hub bodies, of which at least one is approximately annular.
- Such hub bodies are used in particular when individual wings with their connecting element designed as a wing foot are to be fastened to the hub ring.
- at least one hub body is provided with depressions on the front side facing a further hub body, into which the wing base engages in the mounted state.
- At least one reinforcing band is advantageously provided near the end face of the approximately annular hub body, which advantageously extends over the circumference of the hub body. This allows the hub body with the interposition of the wing feet of the individual wings are firmly clamped against each other. For example, if the hub is pressed onto a shaft and very high stresses occur, these can be absorbed by the use of the reinforcing straps, although the hub or hub bodies are made of injection-molded plastic. The high operating forces that must be introduced via the wing feet in the hub ring and absorbed by the hub ring can also be absorbed by the use of the reinforcing bands. The use of metallic hubs is therefore no longer necessary.
- the reinforcing ribbons are in this case advantageously provided in the hub bodies such that they also run underneath the indentations in the end face of the hub body, in which the winged feet of the individual wings engage in the assembled state.
- each attachment opening is advantageously surrounded by at least one reinforcement band.
- the use of the reinforcing tape allows to press bushes and the like into the mounting holes. The resulting clamping forces are absorbed by the reinforcing strip.
- a fan wheel, a fan blade or another fan part is produced in one piece by injection molding by means of thermoplastic material.
- the reinforcing tape is inserted and positioned in the injection mold. It is previously unwound from a spool and cut to the correct length. A special pre-shaping or a special blank of the reinforcing tape is not required. In particular, no preforming tools are necessary. There is no waste, as is often unavoidable when using flat semi-finished products based on fiber fabrics.
- the reinforcing tape is positioned and held in the injection molding tool via appropriate devices. For example, a reinforcing band can be fixed with special pins in the tool.
- thermoplastic material is injected into the injection mold, which partially or completely surrounds the prepositioned reinforcing tape.
- the pins can by means of hydraulic or the pneumatics are withdrawn, so that the cavities created by the pins themselves fill with plastic material.
- a particularly advantageous method of positioning the reinforcing tapes is to glue them with a special adhesive to the tool surface in the cavity of the injection molding tool.
- a thermal adhesive can be used, with which the tapes are already coated on one side of the coil and unfolds its adhesive effect only at a certain temperature, as given on the injection mold.
- the reinforcing tapes appear visible on the component surface of a finished fan part, so are not completely embedded in surrounding plastic.
- a Spritzgiessrohling is prefabricated and secured to him or the reinforcing bands, for example by gluing or welding. Subsequently, the injection molding blank is encapsulated with the further thermoplastic to the finished injection molding so that the / the reinforcing bands is completely enclosed (are).
- the corresponding reinforcing bands can be positioned in the injection molding tool or on the incomplete injection molding blank at several positions.
- the reinforcing straps are designed to absorb the major loads or to prevent deformation in critical directions.
- the manufacturing-related vulnerabilities, such as the aforementioned weld lines are reinforced by a corresponding arrangement of the reinforcing bands. Unnecessary use of relatively heavy, expensive and energetically expensive to produce fibers with an orientation in which no fiber reinforcement is necessary, can be specifically avoided.
- fan parts which are provided with continuous fiber reinforced thermoplastic tapes in critical areas.
- Such fan parts may in particular be fan wheels or fan blades, but also other loaded fan parts such as suspensions, wall rings, adapter hubs or hub body.
- Fan wheels may in operation be rotating axial, radial or diagonal fan wheels, or in-service idler or idler gears.
- thermoplastic bands are specifically embedded in the injection molding of the fan parts with respect to the installation point and the direction of action, so that these thermoplastic bands absorb the main loads of the component or ensure that deformations of these components in critical directions are specifically avoided.
- the injection molding material is preferably made of a thermoplastic polymer such as polyamide (PA6, PA66, PA66 / 6, PAPA, PPA, PA4,6, PA12), polyester (PBT, PET), polypropylene (PP), PPS, PES, PESU, PEEK , ABS, PC, ASA or the like, which is preferably reinforced with short or long fibers, such as glass, carbon, aramid, or natural fibers.
- thermoplastic tapes can be made, for example, based on stress-strain simulations of the expected stresses and deformations and / or based on mold filling simulations with which manufacturing-specific properties, such as fiber orientation and weld lines, can be simulated.
- the thermoplastic tapes form reinforcing tapes, which in the unprocessed state advantageously consist of quasi-endless fibers which are embedded in a matrix material.
- the fibers may in particular be glass, carbon, aramid or natural fibers.
- the matrix material may in particular be a thermoplastic such as polyamide (PA6, PA66, PA66 / 6, PAPA, PPA, PA4.6, PA12), polyester (PBT, PET), polypropylene (PP), PPS, PES, PESU, PEEK, ABS, PC, ASA and the like.
- a polyamide, a polypropylene or a polyester is used as the material for the tapes.
- the matrix material of the ribbons is the same or similar to the polymer of the injection molding material.
- the orientation of the quasi-endless fibers in such bands is parallel to the extent of the thermoplastic bands and unidirectional. This allows a very targeted introduction of the fiber reinforcement exactly in an orientation in which the reinforcing fibers can absorb critical component stresses and / or reduce critical component deformations.
- the thermoplastic tapes are flexible in the initial state transverse to their longitudinal extent, so that they can be wound up and unwound from a coil and flexibly placed with respect to the fan part to be manufactured, for example in an injection mold or an injection molding blank. Such thermoplastic tapes can be found in the market large lengths as meter goods rolled up on coils can be purchased inexpensively.
- Fig. 1 shows a radial fan with a cover ring 1, which is connected in a known manner by fan blades 2 with a hub ring 3.
- the cover ring 1, the fan blades 2 and the hub ring 3 are formed integrally with each other by injection molding.
- weld lines are formed when two different partial flows of liquid plastic material flow together during the injection molding process in the mold cavity.
- Such weld lines in the cover ring 1 are in Fig. 1 indicated by thin dashed lines 4. They affect the strength of the cover ring 1 and thus ultimately the fan wheel.
- the embedded in the material of the cover ring 1 short or long fibers are aligned substantially along the weld lines 4.
- the tie lines 4 often form the weak points of a cover ring 1 or other fan parts.
- the reinforcing bands 5, 6 embedded whose location are characterized by thick dashed lines. They extend over the circumference of the cover ring 1 and are approximately parallel to each other.
- the reinforcing tapes 5, 6 each have a distance from the outer edge 7 and from the inner edge 8 of the cover ring 1.
- the reinforcing tapes 5, 6 are completely or partially embedded in the material of the cover ring 1, ie they are in the injection molding in a region within the cavity the associated injection molding and are firmly and permanently connected after the injection molding with the surrounding plastic, but may be visible depending on the placement in the component on the surface of the finished fan part.
- the reinforcing tapes 5, 6 extend transversely to the stitching seams 4, which they, in the axial direction according to Fig. 1 seen, cross. Since the reinforcing bands 5, 6 extend over the circumference of the cover ring 1, it is ensured that independently of the number and / or the position of the binding lines 4, the reinforcing bands 5, 6 intersect the binding lines 4.
- the reinforcing tapes 5, 6 in the unprocessed state advantageously consist of quasi-endless fibers which are embedded in a matrix material.
- these reinforcing bands are completely or partially embedded in the injection-molded part.
- the course of weld lines can also be determined by means of pattern fan wheels, which are manufactured without reinforcing bands. It is then possible to arrange the short reinforcing bands 5, 6 selectively in the injection mold at the locations where the weld lines 4 occur on the cover ring 1. The short reinforcing tapes 5, 6 are tuned in their length to the weld lines 4 so that the desired gain is achieved.
- Fig. 3 shows at a section of a radial fan a further critical point on a fan. This is the transition between a fan blade 2 and a cover ring 1 of a radial fan.
- Such transitions 9 can be strength-critical points.
- this transition region 9 is reinforced by the reinforcing ribbons 5. They extend transversely to the transition region 9 and are partially or completely embedded in the fan blades 2 and the cover ring 1.
- the reinforcing bands 5 may be located on the surface of the fan blades 2 and the cover ring 1, respectively. With the aid of stress-strain simulations or fracture patterns of unreinforced fan wheels, the locations and with stress-strain simulations the length of the reinforcement bands 5 can be determined so that they sufficiently reinforce these strength-critical transition regions 9.
- the reinforcing ribbons 5 are placed over the length of the transition regions 9 so that the critical transition region 9 is reliably reinforced over its length.
- a strength-critical transition region 9 can also exist between the fan blades 2 and the other hub ring 3. This applies to fan impellers of radial, diagonal or axial design as well as for leading or Nachleitizer of fans (stators). For this reason, the reinforcing bands 5 are provided at the required locations in these transition areas.
- these strength-critical transitions 9 are provided at the transition from the fan blades 2 in a hub ring 3.
- the fan blades 2 are here approximately radially from the outer wall of the hub ring 3, which is cylindrical and has on its inside inwardly projecting eyes 11, which has at least one passage opening 12 for fastening screws.
- the transition point 9 extends on the outside of the hub ring 10 with a slope.
- the reinforcing bands 5 in turn extend transversely, preferably perpendicular to the transition point 9. The placement of the reinforcing bands 5 and also their length are determined by a stress-strain simulation properly determined, so that the Axialllibraryerrad in use has the desired strength.
- each transition 9 can be provided per transition 9 more or a plurality of reinforcing bands 5, depending on the desired requirements of the respective fan.
- a reinforcing tape 5 In the Fig. 3 and 4 is shown only schematically for each transition 9 a reinforcing tape 5.
- Fig. 5 shows a radial fan with the two rings 1, 3, between which extend the fan blades 2, which are integrally formed with the two rings 1, 3.
- fan blades are often the leading and trailing edges 13, 14 deformation critical. In use, their deflection can often reach critical values for the functioning of the fan wheel. For acoustic reasons, however, in particular the trailing edges 14 should be as thin as possible. With the help of the reinforcing bands, this requirement can be met without the deflection of the fan blades during operation of the fan wheel reaches critical values.
- the reinforcing ribbons 5 are reinforced by the reinforcing ribbons 5. They extend advantageously over the entire length of the trailing edge 14. As in the previous embodiments, the reinforcing ribbons 5 are partially or completely embedded in the material of the fan blade 2.
- the reinforcing ribbons 5 are provided along the trailing edge 14 so as to be a short distance from the trailing edge.
- a reinforcing tape 5 may also be provided on the front edge 13. Also in this case, the reinforcing strip 5 is partially or completely embedded in the material of the fan blade 2. The reinforcing strip 5 advantageously extends over the entire length of the front edge 13.
- the length and / or the width of the region in which the reinforcing ribbons 5 are provided and their orientation are calculated and determined in advance by stress-strain simulations.
- the use of the reinforcing ribbons 5 makes it possible to form the fan blades 2 relatively thin, whereby a considerable material savings is possible. Due to the reinforcing bands 5, the fan blades 2 may be made thinner than the conventional fan blades, which are provided only with the spritzvergossenen short or long fibers. It may also be possible under certain circumstances a cheaper and / or lighter plastic used for the injection molding, for example, with less fiber content, since the reinforcing bands can relieve the surrounding plastic.
- Fig. 6 shows an axial fan with the hub ring 3 and the projecting from him fan blades 2. They have the leading edge 13 and the trailing edge 14. The leading edge 13 and the trailing edge 14 have a crescent shape.
- Such sickled axial fan blades often deform very much in the radial direction during operation. There is the risk that the fan blades 2 rub against the surrounding wall ring. For this reason, in the conventional blower blades made of injection-molded plastic, the sickle is reduced, which, however, leads to the fact that the acoustic values are larger.
- reinforcing bands 5 Through the use of the reinforcing bands 5, it is possible to provide the fan blades 2 with optimum sickling, so that the acoustic values are in the optimum range, without the risk that the axial fan blades 2 will deform greatly. In particular, through the use of reinforcing tapes 5 prevents the fan blades 2 from touching the surrounding wall ring.
- the reinforcing ribbons 5 are positioned within the fan blades 2 so that the deformation of the fan blades 2 is minimized.
- the reinforcing bands 5 extend in the illustrated embodiment over most of the spanwise length of the fan blades 2. With the help of stress-strain simulations, the position and the number of reinforcing bands 5 can be determined.
- the fan blades 2 may be wound or have any other shape required for the application.
- the reinforcing bands 5 ensure that the fan blades can not deform excessively in operation.
- the reinforcing bands 5 are in turn partially or completely embedded in the injection molding of the fan blades 2.
- the length of the individual reinforcing ribbons 5 within a fan blade 2 and their distance from each other can be determined by stress-strain simulations.
- Fig. 7 which schematically shows an axial view of an axial fan blade
- sickle of an axial fan blade is to be defined.
- the fan blades 2 15 coaxial cylinder cuts are placed to the fan wheel. Incomplete cylinder cuts of fan blades should not be considered.
- a complete cylinder cut includes fan blade portions from the leading edge 13 to the trailing edge 14 as a contiguous surface.
- the centerlines 18 of these cylinder cuts each have their longitudinal center point 19.
- the particular centerline 18a of the radially outermost complete cylinder section has the center point 19a.
- Each center 19 defines with the Lüfterradachse 15 a plane 16, specifically forms the center 19 a with the Lüfterradachse the plane 16 a.
- the angle ⁇ is now defined between the associated plane 16 and the plane 16a.
- the sickling of an axial fan blade defined.
- a strongly sinuated wing is said to be, if the maximum occurring amount of ⁇ is greater than 10 °, from a very sinewy, if this maximum amount is greater than 20 °. It is known that a strong sickle is advantageous in particular for low noise emission of an axial fan.
- FIG. 8 Another critical area of an axial fan is described. It consists of individual wings 2a, which are attached to a hub ring 3. Each individual wing 2a consists of a respective fan blade 2 and a connection element 20, which is designed in the embodiment as a wing base, with which it is attached to the hub ring 3 in a known manner. In such individual wings 2a, a critical point is the transition from the connection element 20 into the fan blade 2. Here, the force is introduced from the connection element 20 into the fan blade 2. This area is reinforced with the reinforcement strips 5, as illustrated by the dashed lines.
- An attachment element 20 designed as a wing foot advantageously has a circular outline and is approximately mushroom-shaped.
- the reinforcing tapes 5 extend from the connecting element 20 into the fan blade 2. They run transversely to the transition region 9 between the connecting element 20 and the fan blade 2. The distribution and the length of the reinforcing tapes 5 can in turn be determined by stress-strain simulations.
- the reinforcing bands 5 ensure that high forces can be absorbed at the critical area 9 without having to fear that the individual wing 2a will break off at the transition point 9.
- the reinforcing bands 5 are advantageously distributed over the circumference of the connecting element 20 designed as a wing foot and are partially or completely embedded in the material of the individual wing 2a.
- Connecting elements 20 of a single wing 2a may also have a different embodiment than that of a wing base.
- a single wing 2a can be fastened with a screw to a correspondingly shaped hub ring 3.
- the attachment elements 20 consist of a corresponding bearing surface on the side of the individual wing 2a, against which the individual wing 2a rests in the assembled state on a counterpart of the hub ring 3, and a through-hole for a screw.
- Such connection elements 20 and their transition 9 to the fan blade 2 are highly stressed areas and can be advantageously reinforced with reinforcing bands 5, 6.
- a connection element 20 having a through-hole in particular a reinforcing strip which surrounds the through-hole in the injection-molding material can advantageously reinforce the individual leaf 2a.
- the Fig. 9 and 10 show an axial fan, in which the hub ring 3 is reinforced inside the material with reinforcing bands 5.
- the hub rings 3 are often highly stressed parts in operation because they must ensure the transmission of power from the engine to the wings 2. In some cases, the hub rings 3 are also pressed onto a shaft or other receptacles, which leads to additional stresses in the hub ring 3.
- reinforcing band 5 can be provided, wherein these several reinforcing bands are each arranged helically extending in the hub ring 3. Multiple layers of helically extending reinforcing ribbons may also be disposed so that the reinforcing ribbons of adjacent layers intersect. Reinforcement bands 5 can also be introduced in approximately circular running in the hub ring 3.
- Fig. 11 1 shows a hub body 22 of an axial fan wheel constructed from individual wings 2a with a connecting element 20 designed as a wing foot.
- Two such hub body 22 are mirror images of each other firmly connected to each other, wherein between the two hub bodies, the single fan blades 2a according to Fig. 7 be clamped with their trained as a wing foot attachment element 20.
- the hub body 22 has recesses 23 distributed over its circumference, each receiving a connection element 20 of the single leaf 2a.
- the hub body 22 has a bottom 24 in which an opening 25 is located centrally. In the mounted state protrudes through the opening 25, a shaft on which the hub body 22 is attached.
- the opening 25 is surrounded by a circumferential annular wall 26.
- a peripheral edge 27 which is higher in the axial direction of the hub body 22 than the annular wall 26.
- the recesses 23 are arranged. In the area between the adjacent recesses 23 are receiving openings 28 for screws, with which the two hub body 22 are screwed together with the interposition of the wing feet formed as connecting elements 20 against each other. Due to the bracing processes arise in the hub body 22 very high voltages.
- the reinforcing bands 5, 6 extend over the circumference of the hub body 22 and are provided in the edge 27.
- the two reinforcing tapes 5, 6 run near the front side 29 of the edge 27 and are guided around the recesses 23 in such a way that they run at a small distance from the bottom 30 of the recesses 23.
- the reinforcing bands 5, 6 are positioned so that they do not come into the region of the receiving openings 28. As in the previous embodiments, the reinforcing bands 5, 6 are partially or completely embedded in the material of the hub body 22.
- two approximately mutually parallel reinforcing bands 5, 6 are provided.
- further reinforcing ribbons can be embedded in the required areas in the material of the hub body 22.
- the reinforcing tapes 5, 6 are provided so that they can absorb the stresses that occur in the region of the recesses 23. If, therefore, the individual wings 2a are braced with their connecting element 20 designed as a wing foot in the depressions 23 of the two hub bodies 22, the stresses can be reliably absorbed with the aid of the reinforcing bands 5, 6. This has the consequence that the hub body 22 can no longer be made of metallic material, but as plastic injection molded parts.
- two identical hub body 22 are screwed mirror-inverted to a hub ring 3 against each other.
- two or more different hub body to a hub ring 3 can be connected to each other, so that the wing feet formed as connecting elements 20 are clamped in the hub ring 3.
- the associated with the jamming of the wing feet high component voltages in one or more of the hub body can be intercepted by analogy with embedded reinforcing bands.
- the hub ring is mounted on a shaft.
- Other embodiments may be configured to be mounted on the flange of, for example, an external rotor motor.
- the parts 24, 26 are completely missing.
- Fig. 12 shows another critical point on a fan. Shown as a section of the area in which the fan is attached to a motor or to an adapter, similar to the in Fig. 1 to be recognized inner area for attachment of the hub ring 3 to a motor or an adapter.
- mounting holes 31 are provided which are distributed over the circumference of a central opening 32 in the hub ring 3.
- narrow areas 34 which represent weak points of the hub ring 3.
- narrow seams 4 often result in these narrow regions 34, which lead to a further weakening of the already weak region 34.
- the fastening holes 31 are reinforced over their circumference by a reinforcing tape 5.
- the reinforcing bands 5 are spaced from the edge of the mounting holes 31 and the edge 33 of the central opening 32 and are partially or completely embedded in the material of the hub ring 3 as in the previous embodiments. Due to the reinforcing bands 5, bushes or the like can be pressed into the fastening holes 31, without this measure having an adverse effect on the strength in the narrow regions 34.
- Fig. 13 shows an adapter hub 35 of a fan, which also consists of plastic injection molding.
- the adapter hub 35 has the central, central opening 36, which is surrounded in the embodiment of two spaced-apart reinforcing bands 5, 6.
- the reinforcing bands 5, 6 and the edge 37 of the opening 36 are approximately coaxial or concentric with each other. Due to this design, the very high voltages can be absorbed, resulting from the pressing of the adapter hub 35 on a shaft or a cone.
- the reinforcing tapes are partially or completely embedded in the material of the adapter hub 35.
- the number and the course of the reinforcing bands 5, 6 about the central opening 36 can be optimized by a stress-strain simulation, so that the reinforcing bands 5, 6 can be arranged so that a maximum reinforcement of the adapter hub 35 in the region of the opening 36 is reached.
- Fig. 14 shows by way of example in cross section three superimposed reinforcement bands 5, 6, which are incorporated in a plastic component of a fan (fan part). They are the same design in the embodiment, but may also have a different training depending on the application.
- the reinforcing bands 5 are completely embedded in the material of the fan part 38.
- the same reinforcing bands 6 are only partially embedded in the material of the fan part 38 and are visible on the surface of the finished fan part 38.
- the reinforcing tapes 5, 6 have the quasi-endless fibers 39 embedded in the matrix 40.
- the fibers 39 are unidirectionally aligned and parallel to each other.
- the fibers 39 can absorb in particular high tensile stresses perpendicular to the plane of the drawing.
- the reinforcing ribbons 5, 6 are arranged in the injection-molded component so that the fibers 39 can absorb the corresponding stresses.
- the exact placement of the reinforcing tapes 5, 6 and the position of the fibers 39 can be optimized, for example, by stress-strain simulations.
- Fig. 15 shows a section through a fan blade 2, as it is, for example, in the embodiments according to the Fig. 5 . 6 or 17 can represent. He has in cross section the profile of a wing and has in the region of the leading edge 13 and in the region of the thin trailing edge 14 respectively a reinforcing tape 5. In particular, the reinforcing band 5 in the region of the thin trailing edge 14 leads to a very high load capacity of the fan blade 2.
- further reinforcing ribbons may be embedded in the fan blade 2 in the area between the front edge 13 and the trailing edge 14.
- the profile of the fan blade 2 is advantageously designed so that its thickness d increases steadily both from the leading edge 13 and from its trailing edge 14.
- the maximum thickness dmax has the fan blade 2 in a region which is closer to the front edge 13 than to the rear edge 14.
- the trailing edge 14 of the fan blade 2 is according to Fig. 15 especially thin.
- the wing thickness of the already thin wing profile again decreases sharply over the relatively short area shk near the trailing edge.
- shk which is less than 10% of the total chord length
- the introduction of one or more reinforcing ribbons 5 in the spanwise direction (transverse to the drawing surface) prevents excessive deformation during operation.
- Fig. 16 shows the adapter hub 35, in which the mounting holes 31 are provided near the outer edge 41.
- the mounting holes 31 and the central opening 36 are each surrounded by reinforcing bands 5.
- the fastening holes 31 are each surrounded by a reinforcing band 5 and the central opening 36 by way of example by two reinforcing bands 5, 6.
- the arrangement and the course of the reinforcing bands 5, 6 corresponds to that of FIG Fig. 13 described embodiment.
- the reinforcing bands 5 surrounding the attachment openings 31 are corresponding Fig. 12 provided and arranged.
- Fig. 16 shows that at the same time various parts of the fan can be reinforced by the reinforcing bands 5, 6 on the fan.
- Fig. 17 shows a reinforced with reinforcing bands fan impeller of plastic injection molding, which is a Nachleitrad.
- the Nachleitrad according to Fig. 17 consists essentially of fan blades 2, a hub ring 3 and a cover ring 1.
- the Nachleitrad has in the embodiment in addition to aerodynamic functions also the function of suspension of a (not shown) motor (not shown) rotating Axiallshareerrad which in the installed state of the cover ring 1 of Nachleitrads are surrounded.
- a flange 43 is provided on the hub ring 3, in which holes 31 are provided for fixing a motor.
- a further mounting flange 44 is provided with holes 42 on the cover ring 1.
- the Nachleitrad must now hold a motor fan during transport, storage and operation positional relative to the device wall and in particular also relative to the cover ring 1.
- the wings of a motor fan must not touch the inner wall 45 of the cover ring 1 of the Nachleitrades. Therefore, only a very small deformation of the flange 43 of the hub ring 3 relative to the cover ring 1 is permissible even under high loads.
- the wings 2 of the Nachleitrades may deform only to a very small extent.
- one or more reinforcing bands 5, 6 are introduced in the areas of front edge 13 and rear edge 14 of the fan blades 2, which are completely or partially embedded in the surrounding plastic.
- Such reinforcing tapes are advantageously provided on all fan blades 2 of the Nachleitrads.
- these bands simultaneously reinforce the transitions 9 between fan blades 2 and hub or cover ring 3, 1.
- the holes 42 reinforced with reinforcing bands similar to the holes 31 in the embodiment according to Fig. 12 , Also in the embodiment according to Fig. 17 Binding seams and high loads in the areas of the holes 42 are to be expected.
- the reinforcing bands 5 are in this embodiment, however, in the holes 42 on the workpiece surface, ie they are not completely embedded in the surrounding plastic.
- the reinforcing tapes were wound before the injection molding process directly on the pins in the injection mold, which are the negative parts of the holes, wound and then encapsulated.
- the bands are still fixed on the pins, for example with a special adhesive, such as a thermal adhesive.
- fan wheels and other fan parts such as hub body, wall rings or suspensions can be made of injection-molded, fiber-reinforced plastic with a high strength by additionally or partially embedded in the injection molded part, the quasi-continuous fiber reinforced bands 5, 6 are.
- These reinforcing bands 5, 6 are selectively introduced with respect to their position and in their direction of effect in the component so that the desired gain is achieved.
- the reinforcing bands 5, 6 can be placed in the injection molding tool itself via appropriate devices prior to the injection molding process and held with suitable devices. If the plastic is introduced into the injection mold, the reinforcing bands are completely or partially encapsulated by the liquid plastic mass.
- the reinforcing ribbons in the injection molding tool can be held by special pins, which are withdrawn before completion of the injection molding process so that the areas that were still occupied by the pins at the beginning of the injection molding, still filled with plastic melt.
- Another very advantageous method of placing the reinforcement bands in the injection molding tool is to attach them to the inner walls of the injection molding tool in the area of the tool cavity. This can preferably be achieved by gluing, for example with a thermal adhesive, which develops its adhesive effect only at the elevated temperature of the injection molding tool.
- a reinforcing tape may be at least partially visible on the finished workpiece surface.
- one or more reinforcing bands may be incorporated in the injection-molded part. They are positioned and aligned in such a way that they absorb the main loads of the respective component or specifically avoid deformations in critical directions. Also manufacturing-related vulnerabilities, in particular the weld lines 4, can be specifically reinforced by the use of the reinforcing bands 5.
- the positioning and orientation of the reinforcing bands within the injection-molded part can be simulated and optimized by stress-strain simulations with regard to the expected stresses and deformations. With mold filling simulations manufacturing-specific properties can be simulated, such as fiber orientation and weld lines.
- Mold-fill simulation software and stress-strain simulation software are well known and commercially available.
- Fan wheels, fan blades, adapter hubs, suspensions or other fan parts can be made entirely of plastic.
- the wheels can be operated with high limiting speeds. Due to the reinforcing bands 5, 6 no expensive material, such as metallic material must be used, but it can be used for the production of inexpensive plastic. Despite the cheaper material, the same or even higher limit speeds can be achieved as when using metallic material.
- the deformations in the operating state, for example in heavily sickled axial fans, are considerably reduced. Wall thicknesses and thus injection molding material use in the manufacture of fan parts can be reduced.
Landscapes
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Lüfter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Lüfterteils eines Lüfters nach dem Oberbegriff des Anspruches 11 bzw. 14.
- Die Belastungsfähigkeit von im Spritzguss hergestellten Kunststofflüfterteilen ist begrenzt. Bei Lüftern, bei denen solche Teile im Einsatz sind, führt dies insbesondere zu einer Grenzdrehzahl, oberhalb welcher der Lüfter nicht mehr betrieben werden kann. Bei spritzgegossenen Kunststoffteilen stellen häufig sogenannte Bindenähte Schwachstellen dar. Als Bindenaht wird ein flächiger Bereich innerhalb eines Spritzgiessteils bezeichnet, der dadurch entsteht, dass beim Spritzgießvorgang zwei getrennte Teilströme des flüssigen Kunststoffs in der Werkzeugkavität zusammenfließen. Da die Temperatur dieser Teilströme in der Regel zu gering ist, ist eine optimale Verschmelzung der Teilströme nicht mehr möglich, wodurch die Bindenaht entsteht. Im flüssigen Kunststoff enthaltene Verstärkungsfasern richten sich in der Regel längs der Bindenaht aus, das heißt, sie überbrücken die Bindenaht nicht und verstärken sie infolgedessen nicht. Bindenähte treten insbesondere dann auf, wenn das Spritzgiessteil ein nicht einfach zusammenhängendes Bauteilvolumen aufweist, beispielsweise infolge von Bohrungen oder mehreren Lüfterflügeln, welche einstückig mit einem Naben- und einem Deckring verbunden sind. Ausserdem können Bindenähte auch dann auftreten, wenn bei einem Spritzgiessteil an mehreren Stellen Kunststoff eingespritzt wird. Um dennoch eine hohe Belastbarkeit bei spritzgegossenen Kunststoffteilen mit Bindenähten zu erreichen, werden unterschiedliche Vorkehrungen getroffen. So wird beispielsweise mehr Material insbesondere im Bindenahtbereich oder hochfeste Materialien eingesetzt, was jedoch die Fertigungskosten und/oder das Gewicht des Lüfterteils in die Höhe treibt, wodurch Lüfter nicht mehr wirtschaftlich gefertigt werden können. Bei Lüftern ist es auch üblich, besonders belastete Lüfterteile aus Metall zu fertigen. Auch dies führt zu Mehrkosten und/oder Mehrgewicht bei der Herstellung der Lüfter.
- Aus Kunststoffspritzguss gefertigte Lüfterteile haben auch neben Bindenähten festigkeitskritische Bereiche. So sind beispielsweise Übergangsstellen innerhalb eines Bauteils, beispielsweise von Lüfterflügeln zu Ringen, wie Nabenring oder Deckring, oft festigkeitskritisch. Des Weiteren können Anschlussbereiche, wie beispielsweise Löcher für Schrauben, Buchsen oder sonstige Einsätze oder Aufnahmen für Wellen oder dergleichen, festigkeitskritische Stellen sein. Oft sind Lüfterteile mit solchen festigkeitskritischen Bereichen nicht in Kunststoffspritzguss realisierbar, oder nur unter Einsatz von teurem, hochfesten Spritzgiessmaterial oder großen Wandstärken.
- Oft sind Lüfterteile, insbesondere Lüfterräder, Lüfterflügel, Aufhängungen oder Adapternaben, auch verformungskritisch, d.h. eine für den einwandfreien Betrieb eines Lüfters zulässige Verformung ist so gering, dass ein Lüfterteil nicht in Kunststoffspritzguss realisierbar ist, oder aber nur durch den Einsatz sehr teuren Spritzgiessmaterials oder sehr großer Wandstärken.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Lüfter sowie das gattungsgemäße Verfahren so auszubilden, dass die Lüfter bei hoher Belastbarkeit hinsichtlich Bauteilversagen und zulässiger Bauteilverformung einfach, mit geringem Bauteilgewicht und kostengünstig gefertigt werden können.
- Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Lüfter erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und bei den gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 11 bzw. 14 gelöst.
- Beim erfindungsgemäßen Lüfter werden in den belastungskritischen oder verformungskritischen Bereichen Verstärkungselemente eingesetzt, die von einer Spule abwickelbare, quasi-endlosfaserverstärkte Bänder sind. Die Verstärkungsbänder können einfach von der Spule abgewickelt und auf die erforderliche Länge geschnitten werden. Dies ermöglicht eine einfache, flexible und wirtschaftliche Fertigungsweise. Die Verstärkungsbänder sind teilweise oder vollständig in den thermoplastischen Kunststoff eingebettet, aus dem ein Lüfterrad, ein Lüfterflügel bzw. ein anderes Lüfterteil hergestellt ist. Ein oder mehrere Lüfterteile des erfindungsgemäßen Lüfters lassen sich somit kostengünstig im Spritzgiessverfahren fertigen. Die Verstärkungsbänder erhöhen die Belastbarkeit mindestens eines Lüfterteiles wesentlich, wodurch die Grenzdrehzahl, bei der der Lüfter betrieben werden kann, ebenfalls stark erhöht werden kann, oder wodurch beim Entwurf des Lüfterteils Wandstärke und somit Materialeinsatz und Gewicht eingespart werden können, oder wodurch eine Realisierbarkeit eines Lüfterteils in Kunststoffspritzguss erst möglich wird. Die hohe Belastbarkeit eines Lüfters hat den Vorteil, dass für eine geforderte Luftmenge kleine, kompakte Lüfter eingesetzt werden können, die mit entsprechend höheren Drehzahlen betrieben werden können. Der thermoplastische Kunststoff ist bevorzugt ein faserverstärkter Kunststoff, in den die Verstärkungsbänder zusätzlich eingebracht sind. Die Verstärkungsbänder lassen sich gezielt im Hinblick auf die Position und die Wirkungsrichtung in einem Lüfterrad, einem Lüfterflügel bzw. in anderen Lüfterteilen einbringen. Die Verstärkungsbänder können so positioniert und ausgerichtet werden, dass sie die Hauptbelastungen des entsprechenden Lüfterteiles aufnehmen oder Verformungen in kritische Richtungen vermeiden oder zumindest reduzieren.
- Bei einer vorteilhaften Ausführungsform umgibt das Verstärkungsband eine Einströmöffnung eines Lüfterrades ringförmig mit Abstand. Das Verstärkungsband sorgt dafür, dass der kritische Randbereich dieser Einströmöffnung ausreichend verstärkt wird.
- Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung verläuft wenigstens ein Verstärkungsband quer zu mindestens einer Bindenaht eines Lüfterteiles. Bindenähte bilden belastungskritische Bereiche eines Lüfterteils, die durch quer verlaufende Verstärkungsbänder vorteilhaft verstärkt werden. Ein Verstärkungsband kreuzt vorteilhafterweise Bindenähte, welche sich beispielsweise an Nabenring und/oder Deckring eines Lüfterrades oder an einer Adapternabe oder einem Nabenkörper befinden können.
- Je nach Gestaltung der belastungskritischen Bereiche können mehrere Verstärkungsbänder über- und/oder nebeneinander im Lüfterteil vorgesehen sein. Dadurch ist eine optimale Positionierung und damit Verstärkung des Lüfterteils im Bereich seiner belastungskritischen Bereiche und/oder seiner verformungskritischen Bereiche einfach möglich.
- Ein weiterer belastungskritischer Bereich eines Lüfters ist bei einem Lüfterrad der Übergang der Lüfterflügel zu wenigstens einem einteilig mit den Lüfterflügeln gefertigten Ring, wie beispielsweise einem Nabenring oder einem Deckring. Darum ist es in vorteilhafter Weise möglich, im Bereich dieses Überganges wenigstens ein Verstärkungsband so vorzusehen, dass es den Übergang kreuzt. Mit dem Verstärkungsband kann ein Lüfterrad in diesem kritischen Bereich optimal verstärkt werden.
- Bei Lüfterrädern sind die Lüfterräder, Lüfterflügel oder andere Lüfterteile häufig verformungskritisch, d.h. ihre Verformung, beispielsweise ihre Durchbiegung, im Betrieb erreicht für die Funktionsweise häufig kritische Werte. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Lüfterflügel, wie häufig vorgesehen, dünne Hinterkanten haben, die im Hinblick auf eine geringe Geräuschentwicklung angestrebt werden. Wenn darum bei einer bevorzugten Ausbildung das Verstärkungsband im Bereich der Vorder- und/oder der Hinterkante der Lüfterflügel positioniert wird, können die Lüfterflügel die aus akustischen Gründen vorteilhafte dünne Hinterkante behalten oder mit dünnen Vorderkanten ausgeführt werden, ohne im Einsatz des Flügelrades zu große Durchbiegungen oder Verformungen für die Lüfterflügel zu erreichen. Diese Ausbildung führt auch zu einer erheblichen Materialeinsparung bei der Herstellung eines Lüfterrades.
- Das Verstärkungsband kann sich im Lüfterflügel längs der Vorder- und/oder der Hinterkante der Lüfterflügel erstrecken, wobei die Erstreckungslänge so gewählt wird, dass die Lüfterflügel in ihrem kritischen Kantenbereich optimal verstärkt sind. Das Verstärkungsband kann sich darum über die ganze Länge in Spannweitenrichtung, aber auch nur über eine Teillänge eines Lüfterflügels erstrecken.
- Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind innerhalb des Lüfterflügels, also im Bereich zwischen der Vorder- und der Hinterkante, mehrere Verstärkungsbänder über deren Breite, welche sich von der Vorderkante zur Hinterkante erstreckt, verteilt angeordnet. Dadurch ist es möglich, die Lüfterflügel mit einer sehr starken Sichelform zu versehen. Ohne Einsatz der Verstärkungsbänder besteht bei stark gesichelten Lüfterflügeln, wie sie insbesondere bei Axiallüfterrädern eingesetzt werden, die Gefahr, dass sie sich im Einsatz stark verformen und an dem das Lüfterrad umgebenden Wand ring streifen. Durch den Einsatz der Verstärkungsbänder kann, selbst bei dünner Wandstärke des Lüfterflügels und hohen Drehzahlen, eine sehr starke Sichelung des Lüfterflügels eingesetzt werden, ohne dass eine unzulässige Verformung des Lüfterflügels zu befürchten ist. Da die Sichelform hinsichtlich optimaler Akustikwerte angestrebt wird, kann durch den Einsatz der Verstärkungsbänder die angestrebte hohe Geräuscharmut des Lüfters in sehr einfacher und kostengünstiger Weise erreicht werden.
- Ein Lüfterrad kann insgesamt einstückig als Spritzgiessteil gefertigt werden. Es sind aber auch Lüfterräder möglich, die aus Einzelflügeln aufgebaut sind, welche jeweils einteilig aus Lüfterflügel und Anbindungselement bestehen, die an einen Nabenring angeschlossen werden. In diesem Falle sind die Lüfterflügel jeweils mit einem Anbindungselement, vorzugsweise als Flügelfuß ausgeführt, versehen, mit dem die Lüfterflügel am Nabenring gehalten werden. Flügelfüße sind vorteilhaft kalottenförmig ausgebildet, so dass die Möglichkeit besteht, die Einzelflügel zumindest bei der Montage gegenüber der Nabe so zu drehen, so dass optimale Anstellwinkel der Lüfterflügel eingestellt werden können.
- Damit der Einzelflügel im Bereich des Anbindungselements eine hohe Belastbarkeit gewährleistet, sind im Anbindungselement vorteilhaft Verstärkungsbänder so untergebracht, dass sie sich über den Übergangsbereich vom Anbindungselement in den Lüfterflügel hinein erstrecken. Der kritische Übergangsbereich zwischen dem Anbindungselement und dem Lüfterflügel wird somit optimal verstärkt.
- Wenn das Lüfterrad einen Nabenring aufweist, dann verläuft vorteilhaft in dem Nabenring wenigstens ein Verstärkungsband vorzugsweise wendelförmig über den Umfang des Nabenrings. Der Nabenring ist ein hochbelastetes Bauteil, weil er die Kraftübertragung von den Lüfterflügeln auf den Motor gewährleisten muss. In manchen Fällen wird ein Nabenring auf eine Welle oder auf andere Aufnahmen aufgepresst, was zu erheblichen Spannungen führt. Durch die Verwendung eines über den Umfang sich erstreckenden Verstärkungsbandes werden diese Spannungen so aufgefangen, dass eine Beeinträchtigung der Funktion des Lüfterrades vermieden wird. Das Verstärkungsband lässt sich sehr einfach im Spritzgiesswerkzeug anordnen. Eine Wendelform gewährleistet in einfacher Weise über den gesamten Umfang des Nabenrings eine hohe Belastbarkeit. Da das Verstärkungsband von der Spule abgewickelt wird, lassen sich unterschiedlich hohe Nabenringe sehr einfach mit dem wendelförmig verlaufenden Verstärkungsband versehen. Es ist auch vorteilhaft, mehrere Schichten von Verstärkungsbändern jeweils wendelförmig derart anzuordnen, dass sich die Bänder kreuzen. Dadurch kann beispielsweise eine hohe Torsionssteifigkeit oder Biegesteifigkeit eines Nabenrings erreicht werden, je nach Wahl der Steigungswinkel des wendelförmigen Verlaufs.
- Bevorzugt verläuft das wendelförmige Verstärkungsband über die gesamte Höhe des Nabenrings.
- Bei einer vorteilhaften Ausführungsform mit Einzelflügeln besteht der Nabenring aus wenigstens zwei gegeneinander geklemmten Nabenkörpern, von denen mindestens einer etwa ringförmig ist. Solche Nabenkörper werden insbesondere dann eingesetzt, wenn am Nabenring Einzelflügel mit ihrem als Flügelfuß ausgeführten Anbindungselement befestigt werden sollen. Mindestens ein Nabenkörper ist hierfür an der einem weiteren Nabenkörper zugewandten Stirnseite mit Vertiefungen versehen, in welche der Flügelfuß in montiertem Zustand eingreift.
- Damit der Nabenring bzw. der Nabenkörper eine ausreichend hohe Stabilität hat, ist vorteilhaft nahe der Stirnseite der etwa ringförmigen Nabenkörper jeweils wenigstens ein Verstärkungsband vorgesehen, das sich vorteilhaft über den Umfang des Nabenkörpers erstreckt. Dadurch können die Nabenkörper unter Zwischenlage der Flügelfüße der Einzelflügel fest gegeneinander verspannt werden. Wenn die Nabe beispielsweise auf eine Welle aufgepresst wird und hierbei sehr hohe Spannungen auftreten, können diese durch den Einsatz der Verstärkungsbänder aufgenommen werden, obwohl die Nabe bzw. die Nabenkörper aus spritzgegossenem Kunststoff bestehen. Die hohen Betriebskräfte, die über die Flügelfüsse in den Nabenring eingeleitet und vom Nabenring aufgenommen werden müssen, können durch den Einsatz der Verstärkungsbänder ebenfalls aufgenommen werden. Die Verwendung von metallischen Naben ist dadurch nicht mehr erforderlich.
- Die Verstärkungsbänder sind in diesem Falle vorteilhaft so in den Nabenkörpern vorgesehen, dass sie auch unterhalb der Vertiefungen in der Stirnseite des Nabenkörpers verlaufen, in welche die Flügelfüße der Einzelflügel in montiertem Zustand eingreifen.
- Häufig weisen Lüfterräder, insbesondere im Bereich des Nabenrings, Befestigungsöffnungen für den Durchtritt von Befestigungsschrauben auf, mit denen das Lüfterrad an einem Motor oder an einem Adapter befestigt werden kann. Im Bereich der Befestigungslöcher entstehen beim Spritzgießen häufig Bindenähte, deren nachteilige Wirkungen durch die Verstärkungsbänder aufgehoben oder erheblich verringert werden. Hierbei wird vorteilhaft jede Befestigungsöffnung von wenigstens einem Verstärkungsband umgeben. Der Einsatz des Verstärkungsbandes erlaubt es, in die Befestigungslöcher Buchsen und dergleichen einzupressen. Die dabei entstehenden Spannkräfte werden vom Verstärkungsband aufgenommen.
- Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Lüfterrad, ein Lüfterflügel oder ein anderes Lüfterteil aus einem Stück durch Spritzgießen mittels thermoplastischem Kunststoff hergestellt. Hierfür wird in das Spritzgiesswerkzeug das Verstärkungsband eingelegt und positioniert. Es wird zuvor von einer Spule abgewickelt und auf die richtige Länge abgetrennt. Eine besondere Vor-Formgebung oder ein besondere Zuschnitt des Verstärkungsbandes ist nicht erforderlich. Insbesondere sind keine Vorformwerkzeuge nötig. Es entsteht keinerlei Verschnitt, wie dies bei der Benutzung von flächigen Halbzeugen basierend auf Fasergewebe oft unvermeidbar ist. Das Verstärkungsband wird im Spritzgiesswerkzeug über entsprechende Vorrichtungen positioniert und gehalten. Beispielsweise kann ein Verstärkungsband mit speziellen Stiften im Werkzeug fixiert werden. Anschließend wird in das Spritzgiesswerkzeug der thermoplastische Kunststoff eingespritzt, der das vorpositionierte Verstärkungsband teilweise oder vollständig umgibt. Kurz vor Ende des Einspritzvorgangs können die Stifte mittels Hydraulik oder der Pneumatik zurückgezogen werden, sodass sich die durch die Stifte selbst entstehenden Hohlräume noch mit Kunststoffmaterial auffüllen.
- Eine besonders vorteilhafte Methode der Positionierung der Verstärkungsbänder ist es, diese mit einem speziellen Kleber an die Werkzeugoberfläche in der Kavität des Spritzgiesswerkzeugs zu kleben. Beispielsweise kann ein Thermokleber verwendet werden, mit dem die Bänder einseitig schon auf der Spule beschichtet sind und der seine klebende Wirkung erst bei einer bestimmten Temperatur entfaltet, wie sie auf dem Spritzgiesswerkzeug gegeben ist. Bei dieser Methode erscheinen die Verstärkungsbänder sichtbar an der Bauteiloberfläche eines fertigen Lüfterteils, sind also nicht vollständig in sie umgebenden Kunststoff eingebettet.
- Bei einer anderen Verfahrensweise wird ein Spritzgiessrohling vorgefertigt und an ihm das oder die Verstärkungsbänder befestigt, beispielsweise durch Kleben oder Schweißen. Anschließend wird der Spritzgiessrohling mit dem weiteren thermoplastischen Kunststoff zum fertigen Spritzgiessteil so umspritzt, dass das/die Verstärkungsbänder vollständig umschlossen ist (sind).
- Je nach Ausbildung des Lüfterteiles können im Spritzgiesswerkzeug bzw. am unvollständigen Spritzgiessrohling an mehreren Positionen die entsprechenden Verstärkungsbänder positioniert werden. Die Verstärkungsbänder sind so vorgesehen, dass sie die Hauptbelastungen aufnehmen oder Verformungen in kritische Richtungen verhindern. Auch die fertigungsbedingten Schwachstellen, wie die erwähnten Bindenähte, werden durch eine entsprechende Anordnung der Verstärkungsbänder verstärkt. Unnötiger Einsatz von relativ schweren, teuren und energetisch aufwändig herzustellenden Fasern mit einer Ausrichtung, in der keine Faserverstärkung nötig ist, kann gezielt vermieden werden.
- Um die richtige Position und Ausrichtung der Verstärkungsbänder im Spritzgiesswerkzeug zu ermitteln, wird vorteilhaft die Positionierung der Verstärkungsbänder im Spritzgiesswerkzeug durch Formfüllsimulation und/oder Spannungs-Verformungs-Simulation bestimmt. Mit Spannungs-Verformungs-Simulationen können zu erwartende Spannungen und Verformungen mit Hilfe eines Computerprogramms vorhergesagt werden. Mit Formfüllsimulationen können fertigungsspezifische Eigenschaften, wie Faserausrichtung und Bindenahtverläufe, ebenfalls mit Hilfe eines Computerprogramms vorhergesagt werden. Computerprogramme zu Spannungs-Verformungs-Simulationen oder Formfüllsimulationen sind bekannt und auf dem Markt erhältlich.
- Es ist auch möglich, kritische Bereiche, in denen eine Verstärkung mit Verstärkungsbändern notwendig ist, experimentell zu bestimmen. Dies kann beispielsweise durch die Analyse des Bruchverhaltens von unverstärkten oder unzureichend verstärkten Bauteilen erfolgen. Ein großer Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist hierbei, dass es, wenn man eine unzureichende Verstärkung in einem bereits bestehenden Lüfterteil identifiziert, vergleichsweise einfach ist, ansonsten baugleiche Lüfterteile mit zusätzlichen Verstärkungsbändern zu versehen. Es sind keinerlei Änderungen oder Anpassungen von Spritzgiesswerkzeugen, Halbzeugen, Stanzwerkzeugen oder Preformwerkzeugen nötig.
- Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
- Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
- Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen
- Fig. 1
- in Axialansicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radiallüfterrades,
- Fig. 2
- in einer Darstellung entsprechend
Fig. 1 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radiallüfterrades, - Fig. 3
- in perspektivischer Darstellung einen Teil eines erfindungsgemäßen Radiallüfterrades,
- Fig. 4
- in perspektivischer Darstellung ein erfindungsgemäßes Axiallüfterrad,
- Fig. 5
- in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Radiallüfterrades,
- Fig. 6
- in Axialansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axiallüfterrades,
- Fig. 7
- in schematischer Darstellung einen Flügel eines Axiallüfterrades mit gesichelten Lüfterflügeln,
- Fig. 8
- einen Einzelflügel eines erfindungsgemäßen Axiallüfterrades,
- Fig. 9
- in Axialansicht eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Axiallüfterrades,
- Fig. 10
- das Axiallüfterrad gemäß
Fig. 9 in perspektivischer Darstellung, - Fig. 11
- in perspektivischer Darstellung einen Nabenkörper eines erfindungsgemäßen Axiallüfterrads,
- Fig. 12
- einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Lüfterrad,
- Fig. 13
- in Ansicht eine Adapternabe eines erfindungsgemäßen Lüfters,
- Fig. 14
- in vergrößerter Darstellung einen Schnitt durch ein mit Endlosfasern verstärktes Lüfterteil eines erfindungsgemäßen Lüfters,
- Fig. 15
- einen Schnitt durch einen Lüfterflügel eines erfindungsgemäßen Lüfters in einer Ausbildung beispielsweise entsprechend den
Fig. 5 oder6 , - Fig. 16
- in einer Darstellung entsprechend
Fig. 13 eine weitere Ausbildung einer Adapternabe eines erfindungsgemäßen Lüfters, - Fig. 17
- in perspektivischer Darstellung ein weiteres Lüfterrad eines erfindungsgemäßen Lüfters, welches ein Nachleitrad ist.
- Im Folgenden werden verschiedene im Spritzgiessverfahren aus Kunststoff gefertigten Teile von Lüftern beschrieben, die mit endlosfaserverstärkten Thermoplastbändern in kritischen Bereichen versehen sind. Solche Lüfterteile können insbesondere Lüfterräder oder Lüfterflügel, aber auch andere belastete Lüfterteile wie beispielsweise Aufhängungen, Wandringe, Adapternaben oder Nabenkörper sein. Lüfterräder können im Betrieb rotierende Axial-, Radial- oder Diagonallüfterräder, oder im Betrieb stehende Vorleit- oder Nachleiträder sein.
- Die Thermoplastbänder sind in das Spritzgiessmaterial der Lüfterteile gezielt im Hinblick auf die Einbaustelle und die Wirkungsrichtung eingebettet, so dass diese Thermoplastbänder die Hauptbelastungen des Bauteiles aufnehmen oder dafür sorgen, dass Verformungen dieser Bauteile in kritischen Richtungen gezielt vermieden werden. Das Spritzgiessmaterial besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischen Polymer, wie beispielsweise Polyamid (PA6, PA66, PA66/6, PAPA, PPA, PA 4.6, PA12), Polyester (PBT, PET), Polypropylen (PP), PPS, PES, PESU, PEEK, ABS, PC, ASA oder dergleichen, das vorzugsweise mit Kurz- oder Langfasern, wie Glas-, Kohle-, Aramid-, oder Naturfasern, verstärkt ist. Die Platzierung und Ausrichtung der Thermoplastbänder kann beispielsweise basierend auf Spannungs-Verformungs-Simulationen der zu erwartenden Spannungen und Verformungen und/oder basierend auf Formfüllsimulationen, mit denen fertigungsspezifische Eigenschaften, wie Faserausrichtung und Bindenahtverläufe, simuliert werden können, vorgenommen werden.
- Die Thermoplastbänder bilden Verstärkungsbänder, die im nicht verarbeiteten Zustand vorteilhaft aus quasi-endlosen Fasern bestehen, die in ein Matrixmaterial eingebettet sind. Die Fasern können insbesondere Glas,- Kohle-, Aramid- oder Naturfasern sein. Das Matrixmaterial kann insbesondere ein Thermoplast, wie Polyamid (PA6, PA66, PA66/6, PAPA, PPA, PA 4.6, PA12), Polyester (PBT, PET), Polypropylen (PP), PPS, PES, PESU, PEEK, ABS, PC, ASA und dergleichen sein. Bevorzugt wird für die Bänder ein Polyamid, ein Polypropylen oder ein Polyester als Werkstoff verwendet. Vorzugsweise ist das Matrixmaterial der Bänder gleich oder ähnlich dem Polymer des Spritzgiessmaterials. Die Ausrichtung der quasi-endlosen Fasern in solchen Bändern ist parallel zur Erstreckung der Thermoplastbänder und unidirektional. Dies ermöglicht eine sehr gezielte Einbringung der Faserverstärkung genau in einer Ausrichtung, in der die Verstärkungsfasern kritische Bauteilspannungen aufnehmen und/oder kritische Bauteilverformungen reduzieren können. Die Thermoplastbänder sind im Ausgangszustand quer zu ihrer Längserstreckung flexibel, sodass sie von einer Spule auf- und abgewickelt sowie in Bezug auf das zu fertigende Lüfterteil flexibel platziert werden können, beispielsweise in einem Spritzgiesswerkzeug oder einem Spritzgiessrohling. Solche Thermoplastbänder können auf dem Markt in großen Längen als Meterware auf Spulen aufgerollt kostengünstig bezogen werden.
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Fig. 1 zeigt ein Radiallüfterrad mit einem Deckring 1, der in bekannter Weise durch Lüfterflügel 2 mit einem Nabenring 3 verbunden ist. Der Deckring 1, die Lüfterflügel 2 und der Nabenring 3 sind durch Spritzgießen einstückig miteinander ausgebildet. - Beim Spritzgießen entstehen teilweise sichtbare Bindenähte, wenn beim Spritzgiessvorgang in der Werkzeugkavität zwei verschiedene Teilströme flüssigen Kunststoffmaterials zusammenfließen. Solche Bindenähte im Deckring 1 sind in
Fig. 1 durch dünne gestrichelte Linien 4 angedeutet. Sie beeinträchtigen die Festigkeit des Deckrings 1 und damit letztlich auch des Lüfterrades. Die in das Material des Deckrings 1 eingebetteten Kurz- oder Langfasern richten sich im Wesentlichen entlang der Bindenähte 4 aus. Somit bilden die Bindenähte 4 häufig die Schwachstellen eines Deckrings 1 oder anderer Lüfterteile. - In den Deckring 1 sind darum im Ausführungsbeispiel die Verstärkungsbänder 5, 6 eingebettet, deren Lage durch dicke gestrichelte Linien gekennzeichnet sind. Sie erstrecken sich über den Umfang des Deckrings 1 und liegen etwa parallel zueinander. Die Verstärkungsbänder 5, 6 haben jeweils Abstand vom äußeren Rand 7 und vom inneren Rand 8 des Deckrings 1. Die Verstärkungsbänder 5, 6 sind ganz oder teilweise in das Material des Deckrings 1 eingebettet, d.h. sie befinden sich beim Spritzgiessvorgang in einem Bereich innerhalb der Kavität des zugehörigen Spritzgiesswerkzeugs und sind nach dem Spritzgiessvorgang fest und unlösbar mit dem umgebenden Kunststoff verbunden, können allerdings je nach Platzierung im Bauteil an der Oberfläche des fertigen Lüfterteils sichtbar sein. Die Verstärkungsbänder 5, 6 verlaufen quer zu den Bindenähten 4, welche sie, in Achsrichtung gemäß
Fig. 1 gesehen, kreuzen. Da die Verstärkungsbänder 5, 6 über den Umfang des Deckrings 1 verlaufen, ist sichergestellt, dass unabhängig von der Zahl und/oder der Lage der Bindenähte 4 die Verstärkungsbänder 5, 6 die Bindenähte 4 kreuzen. - Die Verstärkungsbänder 5, 6 bestehen im nicht verarbeiteten Zustand vorteilhaft aus quasi-endlosen Fasern, die in ein Matrixmaterial eingebettet sind. Im Verlaufe des Spritzgiessverfahrens werden diese Verstärkungsbänder in das Spritzgiessteil ganz oder teilweise eingebettet.
- Aufgrund der Verstärkungsbänder 5, 6 hat der Deckring 1 trotz der vorhandenen Bindenähte 4 eine hohe Festigkeit. Das Radiallüfterrad kann darum auch bei sehr hohen Drehzahlen eingesetzt werden, selbst bei verhältnismäßig geringen Wandstärken des Deckrings 1.
- Während bei der Ausführungsform gemäß
Fig. 1 die Lage der Bindenähte 4 über den Umfang des Deckrings 1 nicht bekannt sein muss, weil die Verstärkungsbänder 5, 6 über den gesamten Umfang des Deckrings 1 verlaufen, ist bei der Ausführungsform gemäßFig. 2 vorgesehen, die Verstärkungsbänder 5, 6 nur in den Bereichen vorzusehen, in denen sich die Bindenähte 4 befinden. Dem Fachmann ist es in der Regel bekannt, wo sich die Bindenähte beim Gießen des Lüfterrades im Deckring 1 bilden. Zusätzlich kann durch eine Formfüllsimulation der Verlauf des Spritzgießens des Laufrades simuliert werden, wobei die entstehenden Bindenähte 4 hinsichtlich ihrer Lage am Deckring 1 angegeben werden können. Der Verlauf von Bindenähten kann auch anhand von Musterlüfterrädern bestimmt werden, welche ohne Verstärkungsbänder gefertigt werden. Es ist dann möglich, die kurzen Verstärkungsbänder 5, 6 gezielt in der Spritzgiessform an den Stellen anzuordnen, an denen die Bindenähte 4 am Deckring 1 auftreten. Die kurzen Verstärkungsbänder 5, 6 sind in ihrer Länge auf die Bindenähte 4 so abgestimmt, dass die gewünschte Verstärkung erreicht wird. -
Fig. 3 zeigt an einem Ausschnitt eines Radiallüfterrades eine weitere kritische Stelle an einem Lüfterrad. Es handelt sich hier um den Übergang zwischen einem Lüfterflügel 2 und einem Deckring 1 eines Radiallüfterrades. Solche Übergänge 9 können festigkeitskritische Stellen sein. Aus diesem Grunde ist dieser Übergangsbereich 9 durch die Verstärkungsbänder 5 verstärkt. Sie erstrecken sich quer zum Übergangsbereich 9 und sind teilweise oder vollständig in die Lüfterflügel 2 bzw. den Deckring 1 eingebettet. Die Verstärkungsbänder 5 können sich an der Oberfläche der Lüfterflügel 2 bzw. des Deckrings 1 befinden. Mit Hilfe von Spannungs-Verformungs-Simulationen oder Bruchbildern unverstärkter Lüfterräder können die Orte und mit Spannungs-Verformungs-Simulationen auch die Länge der Verstärkungsbänder 5 bestimmt werden, damit sie diese festigkeitskritischen Übergangsbereiche 9 ausreichend verstärken. Die Verstärkungsbänder 5 sind über die Länge der Übergangsbereiche 9 so platziert, dass der kritische Übergangsbereich 9 über seine Länge zuverlässig verstärkt wird. - Ein festigkeitskritischer Übergangsbereich 9 kann auch zwischen den Lüfterflügeln 2 und dem anderen Nabenring 3 bestehen. Dies gilt für Lüfterräder radialer, diagonaler oder axialer Bauart sowie für Vorleit- oder Nachleiträder von Lüftern (Statoren). Aus diesem Grunde sind auch in diesen Übergangsbereichen die Verstärkungsbänder 5 an den erforderlichen Stellen vorgesehen.
- Bei Axiallüfterrädern entsprechend
Fig. 4 sind diese festigkeitskritischen Übergänge 9 am Übergang von den Lüfterflügeln 2 in einen Nabenring 3 vorgesehen. Die Lüfterflügel 2 stehen hier etwa radial von der Außenwand des Nabenringes 3 ab, der zylindrisch ausgebildet ist und an seiner Innenseite nach innen vorstehende Augen 11 aufweist, die wenigstens eine Durchtrittsöffnung 12 für Befestigungsschrauben aufweist. Die Übergangsstelle 9 verläuft an der Außenseite des Nabenringes 10 mit einer Steigung. Die Verstärkungsbänder 5 erstrecken sich wiederum quer, vorzugsweise senkrecht zur Übergangsstelle 9. Die Platzierung der Verstärkungsbänder 5 sowie auch ihre Länge werden durch eine Spannungs-Verformungs-Simulation einwandfrei bestimmt, so dass das Axiallüfterrad im Einsatz die gewünschte Festigkeit aufweist. - Es können pro Übergang 9 mehrere oder auch eine Vielzahl von Verstärkungsbändern 5 vorgesehen werden, je nach den gewünschten Anforderungen an das jeweilige Lüfterrad. In den
Fig. 3 und4 ist nur schematisch für jeden Übergang 9 ein Verstärkungsband 5 eingezeichnet. -
Fig. 5 zeigt ein Radiallüfterrad mit den beiden Ringen 1, 3, zwischen denen sich die Lüfterflügel 2 erstrecken, die einstückig mit den beiden Ringen 1, 3 ausgebildet sind. Bei Lüfterflügeln sind häufig die Vorder- und Hinterkanten 13, 14 verformungskritisch. Im Einsatz kann ihre Durchbiegung häufig für die Funktionsweise des Lüfterrades kritische Werte erreichen. Aus akustischen Gründen sollen insbesondere die Hinterkanten 14 jedoch möglichst dünn sein. Mit Hilfe der Verstärkungsbänder kann diese Forderung erfüllt werden, ohne dass die Durchbiegung der Lüfterflügel im Betrieb des Lüfterrades kritische Werte erreicht. Bei den Lüfterflügeln 2 sind zumindest die Hinterkanten 14 durch die Verstärkungsbänder 5 verstärkt. Sie erstrecken sich vorteilhaft über die gesamte Länge der Hinterkante 14. Wie bei den vorigen Ausführungsformen sind die Verstärkungsbänder 5 teilweise oder vollständig in das Material des Lüfterflügels 2 eingebettet. Die Verstärkungsbänder 5 sind so längs der Hinterkante 14 vorgesehen, dass sie geringen Abstand von der Hinterkante haben. - Ein Verstärkungsband 5 kann auch an der Vorderkante 13 vorgesehen sein. Auch in diesem Fall ist das Verstärkungsband 5 teilweise oder vollständig in das Material des Lüfterflügels 2 eingebettet. Das Verstärkungsband 5 erstreckt sich vorteilhaft über die gesamte Länge der Vorderkante 13.
- Es ist weiter möglich, die Verstärkungsbänder 5 an der Vorderkante 13 und an der Hinterkante 14 des Lüfterflügels 2 vorzusehen, wenn dies aus Festigkeits- bzw. Belastungsgründen erforderlich sein sollte. Es ist auch denkbar, in mittleren Bereichen über die gesamte Breite eines Lüfterflügels zwischen dessen Vorderkante 13 und Hinterkante 14 Bänder vorzusehen, welche sich in Spannweitenrichtung, also quer zu Naben- bzw. Deckring, erstrecken, um die Durchbiegung der Lüfterflügel zu reduzieren.
- Die Länge und/oder die Breite des Bereiches, in dem die Verstärkungsbänder 5 vorgesehen sind, sowie deren Ausrichtung werden durch Spannungs-Verformungs-Simulationen vorab berechnet und bestimmt. Der Einsatz der Verstärkungsbänder 5 erlaubt es, die Lüfterflügel 2 verhältnismäßig dünn auszubilden, wodurch eine beträchtliche Materialeinsparung möglich ist. Aufgrund der Verstärkungsbänder 5 können die Lüfterflügel 2 dünner ausgebildet sein als die herkömmlichen Lüfterflügel, die lediglich mit den spritzvergossenen Kurz- oder Langfasern versehen sind. Es kann auch unter Umständen ein kostengünstigerer und/oder leichterer Kunststoff für das Spritzgiessverfahren verwendet werden, beispielsweise mit geringerem Fasergehalt, da die Verstärkungsbänder den umgebenden Kunststoff entlasten können.
-
Fig. 6 zeigt ein Axiallüfterrad mit dem Nabenring 3 und den quer von ihm abstehenden Lüfterflügeln 2. Sie haben die Vorderkante 13 sowie die Hinterkante 14. Die Vorderkante 13 sowie die Hinterkante 14 haben einen sichelförmigen Verlauf. Solche gesichelten Axiallüfterflügel verformen sich im Betrieb häufig sehr stark in radialer Richtung. Es besteht dabei die Gefahr, dass die Lüfterflügel 2 an dem sie umgebenden Wandring streifen. Aus diesem Grunde wird bei den herkömmlichen Lüfterflügeln aus spritzgegossenem Kunststoff die Sichelung verringert, was allerdings dazu führt, dass die Akustikwerte größer werden. - Durch den Einsatz der Verstärkungsbänder 5 ist es möglich, die Lüfterflügel 2 mit einer optimalen Sichelung zu versehen, so dass die Akustikwerte im optimalen Bereich liegen, ohne dass die Gefahr besteht, dass sich die Axiallüfterflügel 2 stark verformen. Insbesondere wird durch den Einsatz der Verstärkungsbänder 5 verhindert, dass die Lüfterflügel 2 an dem umgebenden Wandring streifen.
- Die Verstärkungsbänder 5 werden so innerhalb der Lüfterflügel 2 positioniert, dass die Verformung der Lüfterflügel 2 minimiert ist. Die Verstärkungsbänder 5 erstrecken sich im dargestellten Ausführungsbeispiel über den größten Teil der spannweitigen Länge der Lüfterflügel 2. Mit Hilfe von Spannungs-Verformungs-Simulationen kann die Position sowie die Zahl der Verstärkungsbänder 5 festgelegt werden.
- Die Lüfterflügel 2 können gewunden ausgebildet sein oder jede andere für den Einsatzfall erforderliche Form aufweisen. Die Verstärkungsbänder 5 stellen sicher, dass die Lüfterflügel sich im Betrieb nicht unzulässig stark verformen können. Die Verstärkungsbänder 5 sind wiederum teilweise oder vollständig in das Spritzgiessmaterial der Lüfterflügel 2 eingebettet. Die Länge der einzelnen Verstärkungsbänder 5 innerhalb eines Lüfterflügels 2 sowie ihr Abstand voneinander kann durch Spannungs-Verformungs-Simulationen bestimmt werden.
- Anhand von
Fig. 7 , welche schematisch eine Axialansicht eines Axiallüfterflügels zeigt, soll der Begriff Sichelung eines Axiallüfterflügels definiert werden. Durch den Lüfterflügel 2 werden zur Lüfterradachse 15 koaxiale Zylinderschnitte gelegt. Unvollständige Zylinderschnitte von Lüfterflügeln sollen dabei nicht betrachtet werden. Ein vollständiger Zylinderschnitt beinhaltet als eine zusammenhängende Fläche Lüfterflügelbereiche von der Vorderkante 13 bis zur Hinterkante 14. Die Mittellinien 18 dieser Zylinderschnitte haben jeweils ihren längenmäßigen Mittelpunkt 19. Die spezielle Mittellinie 18a des radial äußersten vollständigen Zylinderschnitts hat den Mittelpunkt 19a. Jeder Mittelpunkt 19 definiert mit der Lüfterradachse 15 eine Ebene 16, speziell bildet der Mittelpunkt 19a mit der Lüfterradachse die Ebene 16a. Für jede radiale Position ist nun der Winkel α zwischen der zugehörigen Ebene 16 und der Ebene 16a definiert. Mit dem Verlauf des Winkels α wird hier die Sichelung eines Axiallüfterflügels definiert. Von einem stark gesichelten Flügel wird gesprochen, wenn der maximal auftretende Betrag von α größer als 10° ist, von einem sehr stark gesichelten, wenn dieser maximale Betrag größer als 20° ist. Es ist bekannt, dass eine starke Sichelung vorteilhaft insbesondere für niedrige Lärmemission eines Axiallüfters ist. - Anhand von
Fig. 8 wird ein weiterer kritischer Bereich eines Axiallüfterrades beschrieben. Es besteht aus Einzelflügeln 2a, die an einen Nabenring 3 angesetzt werden. Jeder Einzelflügel 2a besteht aus jeweils einem Lüfterflügel 2 und einem Anbindungselement 20, welches im Ausführungsbeispiel als Flügelfuß ausgeführt ist, mit dem er am Nabenring 3 in einer bekannten Weise befestigt wird. Bei solchen Einzelflügeln 2a ist eine kritische Stelle der Übergang vom Anbindungselement 20 in den Lüfterflügel 2. Hier erfolgt die Krafteinleitung vom Anbindungselement 20 in den Lüfterflügel 2. Dieser Bereich ist, wie durch die gestrichelten Linien veranschaulicht, mit den Verstärkungsbändern 5 verstärkt. - Ein als Flügelfuß ausgeführtes Anbindungselement 20 hat vorteilhaft kreisförmigen Umriss und ist etwa pilzförmig ausgebildet. Die Verstärkungsbänder 5 erstrecken sich vom Anbindungselement 20 bis in den Lüfterflügel 2. Sie verlaufen hierbei quer zum Übergangsbereich 9 zwischen dem Anbindungselement 20 und dem Lüfterflügel 2. Die Verteilung sowie die Länge der Verstärkungsbänder 5 können wiederum durch Spannungs-Verformungs-Simulationen festgelegt werden. Die Verstärkungsbänder 5 stellen sicher, dass am kritischen Bereich 9 hohe Kräfte aufgenommen werden können, ohne ein Abbrechen des Einzelflügels 2a an der Übergangsstelle 9 befürchten zu müssen. Die Verstärkungsbänder 5 sind vorteilhaft über den Umfang des als Flügelfuß ausgeführten Anbindungselements 20 verteilt angeordnet und teilweise oder ganz in das Material des Einzelsflügels 2a eingebettet.
- Anbindungselemente 20 eines Einzelflügels 2a können auch eine andere Ausführungsform aufweisen als die eines Flügelfusses. Beispielsweise kann ein Einzelflügel 2a mit einer Schraube an einem entsprechend gestalteten Nabenring 3 befestigt werden. Die Anbindungselemente 20 bestehen dann dementsprechend aus einer entsprechenden Auflagefläche seitlich am Einzelflügel 2a, an der der Einzelflügel 2a im zusammengebauten Zustand an einem Gegenstück des Nabenrings 3 anliegt, sowie einem Durchgangsloch für eine Schraube. Auch solche Anbindungselemente 20 bzw. ihr Übergang 9 zum Lüfterflügel 2 sind hochbelastete Bereiche und können vorteilhafterweise mit Verstärkungsbändern 5, 6 verstärkt werden. Bei einem Anbindungselement 20 mit einem Durchgangsloch kann insbesondere ein Verstärkungsband, welches im Spritzgiessmaterial das Durchgangsloch umfängt, den Einzelflügel 2a vorteilhaft verstärken.
- Die
Fig. 9 und10 zeigen ein Axiallüfterrad, bei dem der Nabenring 3 im Materialinneren mit Verstärkungsbändern 5 verstärkt ist. Die Nabenringe 3 sind im Betrieb häufig hochbelastete Teile, weil sie die Kraftübertragung vom Motor auf die Flügel 2 gewährleisten müssen. In manchen Fällen werden die Nabenringe 3 auch auf eine Welle oder andere Aufnahmen aufgepresst, was zu zusätzlichen Spannungen im Nabenring 3 führt. - Diese hohen Belastungen des Nabenringes 3 werden dadurch aufgefangen, dass in den Nabenring 3 das Verstärkungsband 5 eingebettet wird. Es verläuft im Ausführungsbeispiel wendelförmig nahezu über die gesamte axiale Höhe des Nabenringes 3. Die Steigung des Verstärkungsbandes 5 sowie der Höhenbereich, in dem sich das Verstärkungsband befindet, richten sich nach den kritischen Bereichen innerhalb des Nabenringes 3. Die Position und der Verlauf des wendelförmigen Verstärkungsbandes 5 kann wiederum durch Spannungs-Verformungs-Simulationen ermittelt werden. Das Verstärkungsband 5 ist teilweise oder vollständig in das Material des Nabenringes 3 eingebettet.
- Je nach Belastung des Nabenringes 3 kann auch mehr als nur ein Verstärkungsband 5 vorgesehen sein, wobei diese mehreren Verstärkungsbänder jeweils wendelförmig verlaufend im Nabenring 3 angeordnet werden. Mehrere Lagen wendelförmig verlaufender Verstärkungsbänder können auch so angebracht sein, dass sich die Verstärkungsbänder benachbarter Lagen kreuzen. Verstärkungsbänder 5 können auch in etwa kreisförmig verlaufend im Nabenring 3 eingebracht sein.
-
Fig. 11 zeigt einen Nabenkörper 22 eines aus Einzelflügeln 2a mit einem als Flügelfuss ausgebildeten Anbindungselement 20 aufgebauten Axiallüfterrades. Zwei solcher Nabenkörper 22 werden spiegelbildlich zueinander fest miteinander verbunden, wobei zwischen den beiden Nabenkörpern die Einzellüfterflügel 2a gemäßFig. 7 mit ihrem als Flügelfuß ausgebildeten Anbindungselement 20 verspannt werden. Der Nabenkörper 22 hat über seinen Umfang verteilt Vertiefungen 23, die jeweils ein Anbindungselement 20 des Einzelflügels 2a aufnehmen. - Der Nabenkörper 22 hat einen Boden 24, in dem sich zentral eine Öffnung 25 befindet. Im montierten Zustand ragt durch die Öffnung 25 eine Welle, auf welcher der Nabenkörper 22 befestigt wird. Die Öffnung 25 ist von einer umlaufenden Ringwand 26 umgeben. Längs des äußeren Randes des Bodens 24 verläuft ein umlaufender Rand 27, der in Axialrichtung des Nabenkörpers 22 höher ist als die Ringwand 26. In der Stirnseite des ringförmigen hochgestellten Randes 27 sind die Vertiefungen 23 angeordnet. Im Bereich zwischen den benachbarten Vertiefungen 23 liegen Aufnahmeöffnungen 28 für Schrauben, mit denen die beiden Nabenkörper 22 unter Zwischenlage der als Flügelfüße ausgebildeten Anbindungselemente 20 gegeneinander verschraubt werden. Durch die Verspannungsprozesse entstehen im Nabenkörper 22 sehr hohe Spannungen. Aus diesem Grunde werden häufig Nabenkörper aus metallischem Werkstoff eingesetzt. Durch Einsatz der Verstärkungsbänder 5 ist es möglich, die Nabenkörper 22 trotz der hohen Spannung aus Kunststoffspritzguss herzustellen. Die Verstärkungsbänder 5, 6 verlaufen über den Umfang des Nabenkörpers 22 und sind im Rand 27 vorgesehen. Die beiden Verstärkungsbänder 5, 6 verlaufen nahe der Stirnseite 29 des Randes 27 und werden so um die Vertiefungen 23 herumgeführt, dass sie mit geringem Abstand zum Boden 30 der Vertiefungen 23 verlaufen. Die Verstärkungsbänder 5, 6 werden so positioniert, dass sie nicht in den Bereich der Aufnahmeöffnungen 28 kommen. Wie beim vorigen Ausführungsbeispielen sind die Verstärkungsbänder 5, 6 teilweise oder vollständig in das Material des Nabenkörpers 22 eingebettet.
- Im Ausführungsbeispiel sind zwei etwa parallel zueinander liegende Verstärkungsbänder 5, 6 vorgesehen. Je nach den auftretenden Belastungen im Nabenkörper 22 können weitere Verstärkungsbänder an den erforderlichen Bereichen in das Material des Nabenkörpers 22 eingebettet werden. Die Verstärkungsbänder 5, 6 sind so vorgesehen, dass sie die Spannungen, die im Bereich der Vertiefungen 23 auftreten, aufnehmen können. Wenn darum die Einzelflügel 2a mit ihrem als Flügelfuß ausgeführten Anbindungselement 20 in den Vertiefungen 23 der beiden Nabenkörper 22 verspannt werden, lassen sich die Spannungen mit Hilfe der Verstärkungsbänder 5, 6 sicher aufnehmen. Dies hat zur Folge, dass die Nabenkörper 22 nicht mehr aus metallischem Werkstoff, sondern als Kunststoffspritzgiessteile gefertigt werden können.
- Im in
Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel werden zwei gleiche Nabenkörper 22 spiegelbildlich zu einem Nabenring 3 gegeneinander verschraubt. Bei ähnlichen Ausführungsformen können auch zwei oder mehrere unterschiedliche Nabenkörper zu einem Nabenring 3 miteinander verbunden werden, so dass die als Flügelfüße ausgebildeten Anbindungselemente 20 in dem Nabenring 3 verklemmt sind. Die mit dem Verklemmen der Flügelfüße einhergehenden hohen Bauteilspannungen in einem oder mehreren der Nabenkörper können sinngemäß mit eingebetteten Verstärkungsbändern abgefangen werden. - Im in
Fig. 11 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Nabenring auf einer Welle befestigt. Andere Ausführungsformen können so gestaltet sein, dass sie auf dem Flansch beispielsweise eines Außenläufermotors befestigt werden können. Bei solchen Nabenringen können die Teile 24, 26 komplett fehlen. -
Fig. 12 zeigt eine weitere kritische Stelle an einem Lüfterrad. Dargestellt ist als Ausschnitt der Bereich, in dem das Lüfterrad an einem Motor oder an einem Adapter befestigt wird, ähnlich dem inFig. 1 zu erkennenden inneren Bereich zur Befestigung des Nabenrings 3 an einem Motor oder einem Adapter. Hierfür sind Befestigungslöcher 31 vorgesehen, die über den Umfang einer zentralen Öffnung 32 im Nabenring 3 verteilt angeordnet sind. Zwischen den Befestigungslöchern 31 und dem Rand 33 der Öffnung 32, welche insbesondere die Funktion der Zentrierung zu einem Motor oder einer Adapternabe übernimmt, befinden sich schmale Bereiche 34, die Schwachstellen des Nabenrings 3 darstellen. Darüber hinaus entstehen in diesen schmalen Bereichen 34 oft Bindenähte 4, die zu einer weiteren Schwächung des ohnehin schon festigkeitsschwachen Bereiches 34 führen. - Aus diesem Grunde sind die Befestigungslöcher 31 über ihren Umfang durch ein Verstärkungsband 5 verstärkt. Die Verstärkungsbänder 5 liegen mit Abstand vom Rand der Befestigungslöcher 31 sowie vom Rand 33 der zentralen Öffnung 32 und sind wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen teilweise oder vollständig in das Material des Nabenrings 3 eingebettet. Aufgrund der Verstärkungsbänder 5 können in die Befestigungslöcher 31 Buchsen oder dergleichen eingepresst werden, ohne dass sich diese Maßnahme nachteilig auf die Festigkeit in den schmalen Bereichen 34 auswirkt.
-
Fig. 13 zeigt eine Adapternabe 35 eines Lüfters, die ebenfalls aus Kunststoffspritzguss besteht. Die Adapternabe 35 hat die zentrale, mittige Öffnung 36, die im Ausführungsbeispiel von zwei mit Abstand zueinander liegenden Verstärkungsbändern 5, 6 umgeben ist. Die Verstärkungsbänder 5, 6 sowie der Rand 37 der Öffnung 36 liegen etwa koaxial bzw. konzentrisch zueinander. Aufgrund dieser Ausbildung können die sehr hohen Spannungen aufgenommen werden, die durch das Aufpressen der Adapternabe 35 auf eine Welle oder einen Konus entstehen. Die Verstärkungsbänder sind teilweise oder vollständig in das Material der Adapternabe 35 eingebettet. Die Zahl und der Verlauf der Verstärkungsbänder 5, 6 um die zentrale Öffnung 36 kann durch eine Spannungs-Verformungs-Simulation optimiert werden, so dass die Verstärkungsbänder 5, 6 so angeordnet werden können, dass eine maximale Verstärkung der Adapternabe 35 im Bereich der Öffnung 36 erreicht wird. -
Fig. 14 zeigt beispielhaft im Querschnitt drei übereinander angeordnete Verstärkungsbänder 5, 6, die in ein Bauteil aus Kunststoff eines Lüfters (Lüfterteil) eingebracht sind. Sie sind im Ausführungsbeispiel gleich ausgebildet, können je nach Einsatzfall aber auch eine unterschiedliche Ausbildung haben. Die Verstärkungsbänder 5 sind vollständig in das Material des Lüfterteiles 38 eingebettet. Die gleich ausgebildeten Verstärkungsbänder 6 sind nur teilweise in das Material des Lüfterteiles 38 eingebettet und sind an der Oberfläche des fertigen Lüfterteiles 38 sichtbar. Die Verstärkungsbänder 5, 6 haben die quasi endlosen Fasern 39, die in die Matrix 40 eingebettet sind. Die Fasern 39 sind unidirektional ausgerichtet und verlaufen parallel zueinander. Die Fasern 39 können insbesondere hohe Zugspannungen senkrecht zur Zeichnungsebene aufnehmen. Darum sind die Verstärkungsbänder 5, 6 so im Spritzgiessbauteil angeordnet, dass die Fasern 39 die entsprechenden Spannungen aufnehmen können. Die genaue Platzierung der Verstärkungsbänder 5, 6 sowie die Lage der Fasern 39 können beispielsweise durch Spannungs-Verformungs-Simulationen optimiert werden. -
Fig. 15 zeigt einen Schnitt durch einen Lüfterflügel 2, wie er sich beispielsweise bei den Ausführungsformen gemäß denFig. 5 ,6 oder17 darstellen kann. Er hat im Querschnitt das Profil eines Tragflügels und weist im Bereich der Vorderkante 13 sowie im Bereich der dünnen Hinterkante 14 jeweils ein Verstärkungsband 5 auf. Insbesondere das Verstärkungsband 5 im Bereich der dünnen Hinterkante 14 führt zu einer sehr hohen Belastbarkeit des Lüfterflügels 2. - Je nach Belastbarkeit des Lüfterflügels 2 können im Bereich zwischen der Vorderkante 13 und der Hinterkante 14 weitere Verstärkungsbänder in den Lüfterflügel 2 eingebettet sein.
- Das Profil des Lüfterflügels 2 ist vorteilhaft so ausgebildet, dass seine Dicke d sowohl von der Vorderkante 13 als auch von seiner Hinterkante 14 aus stetig zunimmt. Die maximale Dicke dmax weist der Lüfterflügel 2 in einem Bereich auf, der näher bei der Vorderkante 13 als bei der Hinterkante 14 liegt.
- Um niedrige Akustikwerte zu erreichen, ist die Hinterkante 14 des Lüfterflügels 2 gemäß
Fig. 15 besonders dünn ausgebildet. Um dies zu erreichen, nimmt die Flügeldicke des ohnehin schon dünnen Flügelprofils über den relativ kurzen Bereich shk nahe der Hinterkante nochmals stark ab. So kann beispielsweise die Flügeldicke in einem Bereich shk, welcher kleiner als 10% der gesamten Sehnenlänge ist, zur Hinterkante 14 hin nochmals um 30%-70% abnehmen. Bei derart dünn zulaufenden Hinterkanten verhindert die Einbringung eines oder mehrerer Verstärkungsbänder 5 in Spannweitenrichtung (quer zur Zeichnungsfläche) eine zu große Verformung im Betrieb. -
Fig. 16 zeigt die Adapternabe 35, bei der die Befestigungslöcher 31 nahe dem äußeren Rand 41 vorgesehen sind. Die Befestigungslöcher 31 sowie die zentrale Öffnung 36 sind jeweils von Verstärkungsbändern 5 umgeben. Die Befestigungslöcher 31 sind beispielhaft jeweils von einem Verstärkungsband 5 und die zentrale Öffnung 36 beispielhaft von zwei Verstärkungsbändern 5, 6 umgeben. Die Anordnung und der Verlauf der Verstärkungsbänder 5, 6 entspricht dem anhand vonFig. 13 beschriebenen Ausführungsbeispiel. Die die Befestigungsöffnungen 31 umgebenden Verstärkungsbänder 5 sind entsprechendFig. 12 vorgesehen und angeordnet. - Das Beispiel gemäß
Fig. 16 zeigt, dass am Lüfter gleichzeitig unterschiedlichste Teile des Lüfters durch die Verstärkungsbänder 5, 6 verstärkt werden können. -
Fig. 17 zeigt schließlich ein mit Verstärkungsbändern verstärktes Lüfterrad aus Kunststoffspritzguss, welches ein Nachleitrad ist. Im Sinne der vorliegenden Erfindung stellen neben Laufrädern axialer, diagonaler oder radialer Bauart auch Vorleit- oder Nachleiträder Lüfterräder dar. Das Nachleitrad gemäßFig. 17 besteht im Wesentlichen aus Lüfterflügeln 2, einem Nabenring 3 sowie einem Deckring 1. Das Nachleitrad hat im Ausführungsbeispiel neben aerodynamischen Funktionen auch die Funktion der Aufhängung eines (nicht dargestellten) Motors mit (nicht dargestelltem) rotierendem Axiallüfterrad, welche in eingebautem Zustand vom Deckring 1 des Nachleitrads umgeben sind. Zur Befestigung des Motors ist am Nabenring 3 ein Flansch 43 vorgesehen, in dem noch Bohrungen 31 zur Fixierung eines Motors vorgesehen sind. Zur Befestigung des Nachleitrads an einer Gerätewand oder dergleichen ist am Deckring 1 ein weiterer Befestigungsflansch 44 mit Bohrungen 42 vorgesehen. Das Nachleitrad muss nun ein Motorlüfterrad bei Transport, Lagerung und Betrieb lagesicher relativ zur Gerätewand und insbesondere auch relativ zum Deckring 1 halten. Die Flügel eines Motorlüfterrades dürfen nicht an der Innenwand 45 des Deckrings 1 des Nachleitrades streifen. Deswegen ist selbst unter hohen Belastungen nur eine sehr geringe Verformung des Flansches 43 des Nabenrings 3 relativ zum Deckring 1 zulässig. Somit dürfen sich die Flügel 2 des Nachleitrades nur in äußerst geringem Maße verformen. Um dies bei vertretbarem Materialeinsatz in einem Kunststoffspritzgiessteil zu ermöglichen, sind in den Bereichen von Vorderkante 13 und Hinterkante 14 der Lüfterflügel 2 jeweils ein oder mehrere Verstärkungsbänder 5, 6 eingebracht, welche ganz oder teilweise im sie umgebenden Kunststoff eingebettet sind. Solche Verstärkungsbänder werden vorteilhaft an allen Lüfterflügeln 2 des Nachleitrads vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel verstärken diese Bänder gleichzeitig auch die Übergänge 9 zwischen Lüfterflügeln 2 und Naben- bzw. Deckring 3, 1. - Im Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 17 sind auch die Bohrungen 42 noch mit Verstärkungsbändern verstärkt, ähnlich wie die Bohrungen 31 im Ausführungsbeispiel gemäßFig. 12 . Auch im Ausführungsbeispiel gemäßFig. 17 sind Bindenähte und hohe Belastungen in den Bereichen der Bohrungen 42 zu erwarten. Die Verstärkungsbänder 5 befinden sich in diesem Ausführungsbeispiel allerdings in den Bohrungen 42 an der Werkstückoberfläche, d.h. sie sind nicht vollständig im umgebenden Kunststoff eingebettet. Die Verstärkungsbänder wurden vor dem Spritzgiessprozess direkt auf die Stifte im Spritzgiesswerkzeug, welche die Negativteile der Bohrungen darstellen, aufgewickelt und dann umspritzt. Vorteilhaft werden die Bänder noch auf den Stiften fixiert, beispielsweise mit einem speziellen Klebstoff, beispielsweise einem Thermoklebstoff. - Anhand der verschiedenen Beispiele wird ersichtlich, dass Lüfterräder sowie andere Lüfterteile, wie beispielsweise Nabenkörper, Wandringe oder Aufhängungen, aus spritzgegossenem, faserverstärktem Kunststoff mit einer hohen Festigkeit hergestellt werden können, indem zusätzlich im Spritzgiessteil die quasi-endlosfaserverstärkten Bänder 5, 6 ganz oder teilweise eingebettet sind. Diese Verstärkungsbänder 5, 6 werden gezielt im Hinblick auf ihre Position und in ihrer Wirkungsrichtung so in das Bauteil eingebracht, dass die gewünschte Verstärkung erreicht wird. Die Verstärkungsbänder 5, 6 können über entsprechende Vorrichtungen vor dem Spritzgiessvorgang im Spritzgiesswerkzeug selbst platziert und mit geeigneten Vorrichtungen gehalten werden. Wird der Kunststoff in das Spritzgiesswerkzeug eingebracht, werden die Verstärkungsbänder von der flüssigen Kunststoffmasse ganz oder teilweise umgossen.
- Beispielsweise können die Verstärkungsbänder im Spritzgiesswerkzeug durch spezielle Stifte gehalten werden, die vor Beendigung des Spritzgiessvorgangs so zurückgezogen werden, dass die Bereiche, die zu Beginn des Spritzgiessvorgangs noch von den Stiften eingenommen wurden, noch mit Kunststoffschmelze verfüllt werden.
- Eine weitere sehr vorteilhafte Methode der Platzierung der Verstärkungsbänder im Spritzgiesswerkzeug besteht darin, sie an den Innenwänden des Spritzgiesswerkzeugs im Bereich der Werkzeugkavität zu befestigen. Dies kann vorzugsweise durch Kleben erreicht werden, beispielsweise mit einem Thermoklebstoff, der seine klebende Wirkung erst bei der erhöhten Temperatur des Spritzgiesswerkzeugs entfaltet. Bei dieser Technik kann ein Verstärkungsband zumindest teilweise an der fertigen Werkstückoberfläche sichtbar vorhanden sein.
- Es ist aber auch möglich, einen Spritzgiessrohling vorzufertigen, welcher noch nicht das gesamte Volumen des fertigen Bauteils aufweist, und an ihm das Verstärkungsband 5, 6 zu befestigen, was beispielsweise in einfacher Weise durch Schweißen oder Kleben durchgeführt werden kann. Dieser Spritzgiessrohling mit dem befestigten Verstärkungsband wird dann in einem weiteren Spritzgiessvorgang nochmals umgossen, so dass der Spritzgiessrohling auf die fertige Kontur gebracht wird.
- Wie anhand der verschiedenen Beispiele erläutert, können im Spritzgiessteil ein oder mehrere Verstärkungsbänder eingebracht sein. Sie werden so positioniert und ausgerichtet, dass sie die Hauptbelastungen des jeweiligen Bauteiles aufnehmen oder Verformungen in kritischen Richtungen gezielt vermeiden. Auch fertigungsbedingte Schwachstellen, insbesondere die Bindenähte 4, können gezielt durch den Einsatz der Verstärkungsbänder 5 verstärkt werden.
- Die Positionierung und Ausrichtung der Verstärkungsbänder innerhalb des Spritzgiessteiles kann durch Spannungs-Verformungs-Simulationen im Hinblick auf die zu erwartenden Spannungen und Verformungen simuliert und optimiert werden. Mit Formfüllsimulationen können fertigungsspezifische Eigenschaften simuliert werden, wie Faserausrichtung und Bindenahtverläufe.
- Formfüllsimulationssoftware und Spannungs-Verformungs-Simulationssoftware sind allgemein bekannt und im Handel erhältlich.
- Lüfterräder, Lüfterflügel, Adapternaben, Aufhängungen oder sonstige Lüfterteile können vollständig aus Kunststoff gefertigt werden. Die Laufräder können mit hohen Grenzdrehzahlen betrieben werden. Aufgrund der Verstärkungsbänder 5, 6 muss kein teures Material, wie metallischer Werkstoff, eingesetzt werden, sondern es kann der kostengünstige Kunststoff zur Herstellung verwendet werden. Trotz des kostengünstigeren Materials können gleiche oder sogar höhere Grenzdrehzahlen erreicht werden wie bei Verwendung von metallischem Werkstoff. Die Verformungen im Betriebszustand, beispielsweise bei stark gesichelten Axiallüftern, werden erheblich reduziert. Wandstärken und somit Spritzgiessmaterialeinsatz bei der Fertigung von Lüfterteilen können reduziert werden.
Claims (15)
- Lüfter mit mindestens einem Lüfterrad mit Lüfterflügeln (2), welche mit mindestens einem Ring (1, 3) miteinander verbunden sind, wobei mindestens ein Lüfterrad, ein Lüfterflügel (2) und/oder ein anderes Lüfterteil (1, 2, 3, 20, 22, 35, 38) mindestens einen belastungskritischen Bereich aufweist, der mit mindestens einem Verstärkungselement (5, 6) verstärkt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement (5, 6) ein von einer Spule abwickelbares Band ist, welches aus einer Thermoplastmatrix besteht, die unidirektionale, parallel zur Länge des Verstärkungsbandes verlaufende, quasi endlose Fasern umschließt, und dass das Lüfterteil (1, 2, 3, 20, 22, 35, 38) ein aus thermoplastischem Kunststoff gespritztes Teil ist, in das das Verstärkungselement (5, 6) teilweise oder vollständig eingebettet ist. - Lüfter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsband (5, 6) eine Ein- oder Ausströmöffnung eines Rings (1, 3) des Lüfterrades mit Abstand ringförmig umgibt, und dass das Verstärkungsband (5, 6) vorzugsweise quer zu mindestens einer Bindenaht (4) eines Lüfterteiles (1, 2, 3, 20, 22, 35, 38) verläuft und diese kreuzt. - Lüfter nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Verstärkungsbänder (5, 6) über- und/oder nebeneinander und/oder quer zueinander im Lüfterteil (1, 2, 3, 20, 22, 35, 38) angeordnet sind. - Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsbänder (5, 6) nahe der Vorder- und/oder der Hinterkante (13, 14) von Lüfterflügeln (2) vorgesehen sind und sich vorzugsweise längs der Vorder- und/oder der Hinterkante (13, 14) der Lüfterflügel (2) erstrecken. - Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsbänder (5, 6) im Bereich von Lüfterflügeln (2) über deren Breite zwischen Vorderkante (13) und Hinterkante (14) verteilt angeordnet sind und sich jeweils etwa in Spannweitenrichtung der Lüfterflügel (2) erstrecken. - Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass im Nabenring (3) und/oder Deckring (1) wenigstens ein Verstärkungsband (5) vorzugsweise wendelförmig über den Umfang des Nabenrings (3) bzw. des Deckrings (1) verläuft. - Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsbänder (5, 6) am Übergang (9) von einem Lüfterflügel (2) zu wenigstens einem Ring (1, 3) so vorgesehen sind, dass sie den Übergang (9) kreuzen. - Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Lüfterrad Einzelflügel (2a) hat, welche jeweils einteilig aus einem Lüfterflügel (2) und einem Anbindungselement (20) bestehen, vorzugsweise als Flügelfuß ausgebildet, mit dem die Einzelflügel (2a) an einen Nabenring (3) angebunden sind, und dass vorteilhaft im Anbindungselement (20) Verstärkungsbänder (5, 6) untergebracht sind, die sich vorzugsweise quer über den Übergangsbereich (9) zwischen Anbindungselement (20) und Lüfterflügel (2) hinaus in den Lüfterflügel (2) erstrecken. - Lüfter nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenring (3) aus wenigstens zwei gegeneinander geklemmten Nabenkörpern (22) besteht, und dass vorteilhaft nahe der Stirnseite (29) eines ringförmigen Nabenkörpers (22) wenigstens ein Verstärkungsband (5, 6) vorgesehen ist, das sich über den Umfang des Nabenkörpers (22) erstreckt. - Lüfter nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Verstärkungsband (5, 6) wenigstens eine Befestigungsöffnung (31, 42) eines Lüfterteiles (1, 2, 3, 20, 22, 35, 38) umgibt. - Verfahren zur Herstellung eines Lüfterteils eines Lüfters nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem ein Lüfterrad, ein Lüfterflügel (2) oder ein anderes Lüfterteil (1, 2, 3, 20, 22, 35, 38) in einem Spritzgiesswerkzeug hergestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass in das Spritzgiesswerkzeug wenigstens ein Verstärkungsband (5, 6) eingelegt und positioniert wird, das zuvor von einer Spule abgewickelt und auf die richtige Länge abgetrennt worden ist, und dass anschließend der Kunststoff eingespritzt wird, der das Verstärkungsband (5, 6) teilweise oder vollständig umschließt. - Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verstärkungselement (5, 6) vor dem eigentlichen Spritzgiessvorgang an der Werkzeuginnenwand im Bereich der Werkzeugkavität des Spritzgiesswerkzeuges lagesicher fixiert wurde, vorzugsweise mit einem Thermoklebstoff, und somit nur teilweise in den umgebenden Kunststoff eingebettet ist.
- Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Verstärkungselement (5, 6) durch Stifte lagesicher in der Kavität des Spritzgiesswerkzeugs fixiert wird, welche vor Beendigung des Spritzgiessvorgangs so aus der Werkzeugkavität zurückgezogen werden, dass ein Bereich, in dem sie sich zu Beginn des Spritzgiessvorgangs noch befunden haben, mit Kunststoffschmelze geschlossen wird.
- Verfahren zur Herstellung eines Lüfters nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem ein Lüfterrad, ein Lüfterflügel (2) oder ein anderes Lüfterteil (1, 2, 3, 20, 22, 35, 38) in einem Spritzgiesswerkzeug hergestellt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Spritzgiessrohling vorgefertigt und an ihm mindestens ein Verstärkungsband (5, 6) befestigt wird, vorzugsweise durch Schweißen oder Kleben, und dass der Spritzgiessrohling anschließend mit weiterem thermoplastischen Kunststoff so umspritzt wird, dass das Verstärkungsband (5, 6) teilweise oder vollständig umschlossen ist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung eines Verstärkungsbandes (5, 6) im Spritzgiesswerkzeug bzw. am Spritzgiessrohling basierend auf einer Spannungs-Verformungs-Simulation und/oder einer Formfüllsimulation vorgenommen wird.
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