WO2022122927A1 - Shaft-hub connection and fluid pump comprising the shaft-hub connection - Google Patents

Shaft-hub connection and fluid pump comprising the shaft-hub connection Download PDF

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WO2022122927A1
WO2022122927A1 PCT/EP2021/085008 EP2021085008W WO2022122927A1 WO 2022122927 A1 WO2022122927 A1 WO 2022122927A1 EP 2021085008 W EP2021085008 W EP 2021085008W WO 2022122927 A1 WO2022122927 A1 WO 2022122927A1
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WO
WIPO (PCT)
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shaft
hub
hub connection
transverse bore
connection according
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/085008
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German (de)
French (fr)
Inventor
Marcel BERNER
Sebastian EGERMEIER
Robin GEMEINHARDT
Original Assignee
Nidec Gpm Gmbh
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Filing date
Publication date
Application filed by Nidec Gpm Gmbh filed Critical Nidec Gpm Gmbh
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C15/00Component parts, details or accessories of machines, pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C2/00 - F04C14/00
    • F04C15/0057Driving elements, brakes, couplings, transmission specially adapted for machines or pumps
    • F04C15/0061Means for transmitting movement from the prime mover to driven parts of the pump, e.g. clutches, couplings, transmissions
    • F04C15/0073Couplings between rotors and input or output shafts acting by interengaging or mating parts, i.e. positive coupling of rotor and shaft
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/06Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end
    • F16D1/08Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key
    • F16D1/0876Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key with axial keys and no other radial clamping
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D1/00Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements
    • F16D1/06Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end
    • F16D1/08Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key
    • F16D1/0894Couplings for rigidly connecting two coaxial shafts or other movable machine elements for attachment of a member on a shaft or on a shaft-end with clamping hub; with hub and longitudinal key with other than axial keys, e.g. diametral pins, cotter pins and no other radial clamping
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16DCOUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D15/00Clutches with wedging balls or rollers or with other wedgeable separate clutching members

Definitions

  • the invention relates to a shaft-hub connection according to the preamble of claim 1 and a fluid pump having the shaft-hub connection.
  • a generic shaft-hub connection is known from WO 02/099300 A1.
  • This shaft-hub connection uses convex longitudinal grooves in the shaft and/or in the hub, in which driver elements are seated, which are designed like rollers with convex or at least rounded outer surfaces.
  • Such a shaft-hub connection is expensive to manufacture. 3D form milling work is necessary, which means increased production costs.
  • a generic shaft-hub connection is known from DE 4224736A1.
  • 3D Provide form milling, manufacturable shaft-hub connection, which on the one hand is able to compensate for an angular offset between a shaft and a hub and on the other hand allows a rigid up to material elasticity torque transmission between the shaft and the hub.
  • the angular offset to be compensated in particular in the area of the fluid pumps, is in the range of a few degrees, in particular between 0° and 3°, particularly preferably between 0° and 1°.
  • the focus of this invention is a simple producibility of the shaft-hub connection with simple shaping process such. B. drilling, broaching, turning and the like.
  • simple, inexpensive and widespread methods should allow such a production.
  • mechanical overdeterminations and the disadvantages resulting therefrom should at least be reduced.
  • the object of the invention is to specify a fluid pump which is particularly insensitive to an angular misalignment, in particular between a drive shaft and a rotor of the fluid pump, with deflection or bending of the drive shaft under load caused by forces on the rotor Misalignments between the rotor and the shaft can occur.
  • a fluid pump should be able to be insensitive to such angular misalignments with little wear and tear and little noise.
  • the tasks are solved with a shaft-hub connection with the features of claim 1.
  • Advantageous embodiments are specified in the dependent claims.
  • the tasks with regard to the fluid pump are solved with a fluid pump having the features of claim 19 .
  • a shaft-hub connection in particular for a pump rotor on a pump shaft, has: a shaft with a shaft outer surface and a central axis M; a hub with a hub opening having a hub inner surface for accommodating at least a partial area of the shaft, the hub opening having a hub axis N, the shaft having at least one transverse bore for accommodating at least one driver element and the hub inner surface corresponding to the at least one transverse bore having at least one axial groove recess each and wherein at least one driver element is accommodated in the at least one transverse bore, which at least partially protrudes radially outwards beyond the outer surface of the shaft and the protruding subarea of the driver element sits in the axial groove, the protruding subarea of the driver element having a convex or spherical surface.
  • Such a shaft-hub connection is developed according to the invention in that the sum of the individual diameters of the driver elements is greater than the shaft diameter in the axial area of the transverse bore.
  • the transverse bore can be produced in a simple manner by means of drilling, the inner surface of the hub, the outer surface of the shaft by turning/internal turning and the axial grooves by means of broaching.
  • the sintering of the hub is further simplified. This is the most economical method for large quantities.
  • the driver elements are designed in a particularly simple manner as rolling bodies, namely as balls.
  • Such a shaft-hub connection is able to provide angular misalignments of up to a few degrees between a drive shaft and an impeller or, more generally, a hub carrier.
  • the torque is transmitted in a relatively rigid manner, since the driver elements are subjected to shearing or pressure and in this Load direction are designed to be particularly stiff except for material-specific elasticity.
  • Such a shaft-hub connection makes it possible to tolerate higher manufacturing tolerances at another point of a piece of equipment in which the shaft-hub connection is used, since an angular misalignment can be accepted.
  • the structure of the shaft-hub connection also makes it possible to have to comply with a minimum of tight tolerances in the shaft-hub connection itself. For example, only a distance dimension between the contact surfaces of the axial groove and the balls has to be tolerated particularly tightly in order to allow as little rotational play as possible. In an embodiment described further below, this requirement can also be omitted by providing prestressing elements. Furthermore, it only has to be ensured that a central run is possible, i. This means that the shaft sits as centrally as possible in the hub. Such tolerances are few in number and less complex in terms of compliance. In particular, expensive position and surface tolerances, as they occur in statically multiply overdetermined systems according to the prior art, are eliminated. Furthermore, the complex formation of 3D contour surfaces is advantageously dispensed with in the case of the invention.
  • facilitated angular movement is enabled through minimal side constraint of the connection.
  • a particularly smooth movement can be expected in particular in the small angular offset range of up to 3°, in particular up to 1°.
  • the diameter of the driver elements is selected according to the invention so that a sum of the diameters of the driver elements is greater than that Shaft diameter in the axial area of the transverse bore, it is possible in the simplest case to provide only two driver elements that sit in the transverse bore and still form a radial overhang that can be used in conjunction with the axial groove recess for torque transmission.
  • Such a shaft-hub connection which can compensate for small angular offsets defined in more detail above, is particularly suitable for use in fluid pumps, especially in small fluid pumps and the manufacturing tolerances that usually occur in this technical field.
  • a sensible upper limit for the diameter of each driver element, which according to the invention is greater than half the shaft diameter in the area of the transverse bore, is readily apparent to the person skilled in the art depending on the torque to be transmitted, which is caused by the driver elements on the one hand and the remaining wall thickness of the shaft in the area of the transverse bore on the other hand must be transmitted.
  • this remaining wall thickness cannot be made arbitrarily thin at its thinnest point.
  • a residual wall thickness at the thinnest point of at least 10% to 20%, in particular at least 15% to 20%, of the shaft diameter has proven to be expedient for the area of application of small fluid pumps.
  • the radial overhang of each of the driver elements can be 10% of the shaft diameter.
  • the at least one driver element is designed as a ball.
  • the transverse bore is a through transverse bore or a blind transverse bore.
  • blind hole cross bore is useful if, for example, only a spherical driver element is to be accommodated. In this case, the depth of the blind hole must be tolerated accordingly.
  • blind holes can be realized in a simple manner for a plurality of driver elements (even or odd) distributed over the circumference, without the driver elements having to be arranged opposite one another in a radial direction. Such an opposite arrangement is, however, made possible in a simple manner with the above-mentioned through transverse bore.
  • a transverse bore axis QA is aligned at right angles or at an oblique angle to the central axis M.
  • the through-cross bore or the cross-bore axis QA is aligned at right angles to the central axis M of the shaft. However, it can also be at an oblique angle, so that the driver elements are arranged offset to one another, viewed in an axial direction of the shaft.
  • a plurality of driver elements touching one another directly or indirectly sits in the transverse bore.
  • a plurality of driver elements touching one another directly or indirectly can be arranged in the transverse bore, in particular in the case of a through transverse bore.
  • Such an arrangement makes it possible, simply by providing a suitable number of driver elements, for the driver elements to protrude radially beyond the outer surface of the shaft ensure and to ensure sufficient support of the driver elements in the radial direction.
  • a further embodiment of the shaft-hub connection according to the invention is characterized in that the inner surface of the hub, with the exception of the axial groove, is cylindrical or part-cylindrical, ie. H. cylindrical shell-shaped surface.
  • the inner surface of the hub can be produced in a particularly simple manner as a bore or as an internal turning surface, into which the axial grooves are then introduced by broaching. This is a particularly simple way of manufacturing.
  • an intermediate piece is inserted between two adjacent driver elements.
  • an intermediate piece between driver elements i.e. in the area of the center of the shaft.
  • This can optionally be cylindrical or disk-shaped or tubular, so that a punctiform or ring-shaped support of the balls is ensured. This reduces the surface pressure of the balls against each other and prevents unwanted flattening during operation.
  • a transverse bore with a smaller diameter and thus a transmission of higher torques is possible.
  • the intermediate piece is elastically prestressed in order to radially outwardly prestress the driver elements.
  • the intermediate piece can, for example, a deformable material such.
  • B be a rubber or hard rubber or a spring element to bias the driver elements radially outwards. This ensures particularly smooth running, since there is no play in the direction of rotation/circumferential direction between the driver elements and boundary walls of the axial grooves, particularly when the boundary walls are inclined.
  • side walls of the axial groove are designed to be inclined by an angle ⁇ with respect to a radial direction R.
  • the hub is designed to be radially expanded axially adjacent to the inner surface of the hub and forms an annular gap with the outer surface of the shaft.
  • the shaft is designed to be radially reduced axially adjacent to the transverse bore and forms an annular gap with an inner surface of the hub.
  • annular gap represents a simple way of ensuring that the shaft is centered or axially supported relative to the hub, as will be described further below.
  • a centering ring is seated in the annular gap for centering the hub relative to the shaft.
  • a centering ring is a particularly simple way of centering the shaft with respect to the hub in the annular gap by supporting the shaft reach hub.
  • the centering ring is preferably formed from a material that is more elastic than the shaft and/or the hub.
  • a support ring is seated in the annular gap to limit the axial displacement of the shaft relative to the hub.
  • a support ring which may be supported on axial shoulder surfaces of the hub and/or the shaft, can ensure that the hub is fixed axially with respect to the shaft and represents a simple way of ensuring that the hub is guided axially with respect to the shaft.
  • the transverse bore in the region of a radial outer edge of the transverse bore, is deformed radially inward to a smaller diameter than the diameter of the driver element.
  • Such a deformation of the transverse bore is a simple way of avoiding an unintentional loss of driver elements in a period before the shaft is installed in the hub. Due to a locally narrowed free diameter of the transverse bore, at least the driver elements are held captive.
  • a further embodiment of the shaft-hub connection according to the invention is characterized in that the axial extent of the inner surface of the hub is greater than the diameter of the driver element, in particular greater than the diameter of the driver element in a plane tangential to the outer surface of the shaft and perpendicular to the axis of the transverse bore.
  • a further advantageous embodiment of the invention is characterized in that a driver surface of the axial groove recess is curved in cross section, in particular curved in the same direction so as to nestle against the convex or spherical surface of the protruding portion of the driver element.
  • Another aspect of the invention relates to a fluid pump with a drive shaft and a pump rotor, wherein at least one shaft-hub connection according to one of the preceding embodiments, in particular for the shaft-hub connection between a drive shaft and a pump rotor, the shaft-hub connection according to one of the above embodiments is provided.
  • the application of the shaft-hub connection according to the invention to a fluid pump has particular advantages in that particularly quiet running with minimal wear is possible.
  • the efficiency of a fluid pump for example a centrifugal pump, can be increased since a lower sealing gap height is possible, so that loss flows are minimized.
  • the shaft-hub connection can tolerate a load-related skewing of a deformed shaft without this necessarily resulting in a skewing of the pump rotor, so that in contrast to the prior art, in which such a skewing of the pump rotor can occur, in the invention such a skewing is prevented and therefore such a misalignment does not have to be taken into account in all sealing gaps by the prophylactic provision of larger sealing gaps.
  • a sufficient avoidance of collisions between the rotor and the surrounding components of the pump chamber can be realized with smaller sealing gaps, so that the efficiency is increased.
  • such a fluid pump benefits from a particularly torsionally rigid possibility of transmitting torque from the shaft to the rotor.
  • FIG. 1 a longitudinal section along a central axis of a shaft of the shaft-hub connection according to the invention in a first embodiment
  • Fig. 2 a longitudinal section along the shaft longitudinal axis of an expanded first
  • FIG. 3 shows a cross section through a center plane of driver elements through the first embodiment of the shaft-hub connection according to the invention
  • FIG. 4 shows a cross section through a second embodiment of the shaft-hub connection according to the invention in a central plane of the driver elements
  • figs 5a - 5f each schematic cross-section through further embodiments of the shaft-hub connection according to the invention in a central plane of the driver elements, the embodiments differing in terms of the configuration of the driver elements (5a and 5b - 5f) and by different cross-sectional configurations of
  • Fig. 6 a fluid pump having the shaft-hub connection according to FIG.
  • FIG. 1 A first embodiment of the shaft-hub connection 1 according to the invention is shown in Figure 1 in a longitudinal section, Figure 2 in a perspective longitudinal section and Figure 3 in a cross section through a central plane of driver elements 9.
  • FIG. 4 A second embodiment of the invention is shown in FIG. 4, where the same reference numbers refer to the same or comparable elements and the second embodiment will only be described with regard to its differences from the first embodiment.
  • FIGS. 5a to 5f Further embodiments of the invention are shown in FIGS. 5a to 5f, where the same reference symbols relate to the same or comparable elements and the further embodiments are only described with regard to their differences from the first embodiment.
  • the driver element-axial groove recess combinations shown as examples in these embodiments can be easily combined with one another and also with the embodiments according to FIGS. 1 to 3 and 4.
  • the shaft-hub connection 1 according to the invention according to the first embodiment has a shaft 2, which can be a pump shaft 2a in one possible application.
  • the shaft 2 passes through a hub 3, which in a special application of the invention can be a part or a pump rotor(s) 3a.
  • the hub 3 has a hub opening 4 which is delimited by an inner surface 5 of the hub.
  • the inner surface of the hub 5 is not visible in FIG. 1; it is drawn in FIGS. 2, 3 and 4.
  • the inner surface 5 of the hub is assigned a corresponding outer surface 6 of the shaft.
  • An axial partial area 7 of the shaft 2 passes through the hub opening 4 .
  • the transverse bore axis QA is perpendicular to the central shaft axis M, but can also be arranged at an oblique angle thereto.
  • the center axis M of the shaft coincides with a center axis N of the hub.
  • the aim of the shaft-hub connection 1 according to the invention is to compensate for an angular offset between the central shaft axis M and the hub axis N. Such an angular misalignment can occur in a small angular range, for example due to elastic deformation of the shaft 2 during operation of a fluid pump (not shown).
  • Such an angular offset may be in a range between 0° and 3°, in particular in an angular range between 0° and 1°.
  • Driver elements 9 are seated in the transverse bore 8 and are designed according to the invention, for example as rolling bodies, namely as a ball 10 .
  • a diameter D of the transverse bore 8 essentially corresponds to a diameter D of the ball 10, so that it can be moved in a radial direction R in the transverse bore 8 with no or almost no play.
  • the diameter D of the balls 10 and the transverse bore 8 is chosen such that twice the diameter D is larger than a shaft diameter Dw, so that driver sections 11 of the ball 10 project beyond the outer surface 6 of the shaft at both ends at the end of the transverse bore 8.
  • the hub opening 4 has axial groove recesses 12 corresponding to the driver sections 11 of the balls 10 projecting beyond the outer surface 6 of the shaft, which are delimited in the circumferential direction U by inclined side walls 13 .
  • the sloping side walls 13 are inclined at an angle ⁇ to a radial direction R.
  • the size of the angle a to the radial direction R is acute and preferably chosen such that a normal of the side walls 13 through the contact point of the balls 10 and the side walls 13 intersects an inner wall of the transverse bore 8 in its extension.
  • the axial groove recesses 12 are easily broached using a suitable broaching tool, e.g. B. a broach, produced.
  • a suitable broaching tool e.g. B. a broach
  • the hub inner surface 5 can be produced in a simple manner by internal turning.
  • the transverse bore 8 of the shaft 2 can be produced in a simple manner by drilling.
  • the Driver elements 9 are designed in a particularly simple manner according to the invention as balls 10, which are available prefabricated as purchased parts/standard parts at low cost and in a large number of desired diameters.
  • the hub opening 4 is enlarged axially adjacent to the hub inner surface 5 and forms an enlarged hub opening 4 a within the hub 3 .
  • the widened hub opening 4a forms an annular gap 14 in a region axially adjoining the hub inner surface 5 together with the shaft outer surface 6.
  • the annular gap 14 is designed to accommodate a centering ring 15 or a support ring 15a, the functions of which are explained below.
  • the centering ring 15 can be inserted in a simple manner in the annular gap 14, which defines a radial position of the shaft 2 in relation to the hub 3, provided that between the shaft outer surface 6 and the Hub inner surface 5 a gap, such as a clearance gap, is present.
  • the support ring 15a acts as a support ring if it can provide axial support for the shaft 2 with respect to the hub 3 as an alternative or in addition to acting as a centering ring 15 .
  • the support ring 15a can also be fixed to the shaft 2 and to the hub 3 by means of a press fit have a radial clearance fit.
  • the support ring 15a rests axially on a hub web 5a.
  • a second support ring can optionally be placed on the opposite side against the hub web 5a in the same way, so that the shaft is fixed in the axial direction A with respect to the hub 3 without play or preferably with play.
  • the driver elements 9, d. H. the balls 10 are accommodated by their driver sections 11 in the axial groove recesses 12 and thus form a rotationally positive but axially displaceable assembly in a circumferential direction U (direction of rotation), by means of which torque can be transmitted from the shaft 2 to the hub 3.
  • the balls 10 can move in the axial grooves by a small amount in the axial direction A and compensate for an angular offset of the central axis M in relation to the hub axis N, without the circumferential direction U existing rotational form closure is abandoned.
  • a centering ring 15 which rests without play on both the outer surface of the shaft 6 and on the inner surface of the enlarged hub opening 4a, so that a centering function is fulfilled, so that it is elastic in design so that it Angular offset of the shaft 2 is not directly transmitted to the hub 3.
  • an intermediate piece 16 which is arranged between the balls 10 is provided in the transverse bore 8 in addition to the two driver elements 9 which are designed as balls 10 according to the invention.
  • the intermediate piece 16 is a disk against which the balls 10 are supported. The provision of this intermediate piece 16 makes it possible, with a given diameter D of the balls 10 and the transverse bore 8, to produce a larger radial overhang of the driver sections 11 and thus a more favorable balance of power in the contact points between the Balls 10 and the side walls 13 to generate. Higher torques can be transmitted with such an arrangement.
  • the intermediate piece 16 is designed as a ring.
  • Such a configuration has the advantage that there is no point contact between the balls 10 and the intermediate piece 16 but rather a line contact (ring-shaped), so that surface pressures between the balls 10 and the intermediate piece 16 can be kept low.
  • the intermediate piece 16 is made of an elastic material, in particular as a compression spring, which is selected with regard to its dimensioning and choice of material such that it prestresses the balls 10 radially outwards when the shaft-hub connection 1 is in the assembled state against the side walls 13 presses.
  • a play-free, prestressed arrangement of the shaft-hub connection 1 according to the invention can be achieved, so that particularly low-noise operation is ensured.
  • the transverse bore 8 is caulked or otherwise mechanically deformed at its open ends after the driver elements 9 (balls 10) have been inserted, so that the diameter of the transverse bore 8 narrows.
  • the driver elements 9 are held captive. This facilitates in particular the assembly of the shaft 2 with the driver elements 9 in the hub 3.
  • the driver section 11 which protrudes in a radial direction R beyond the outer surface of the shaft 6, also projects beyond the inner surface of the hub 5 in the axial direction A, so that by suitably placing the support rings 15a or the centering rings 15 in Axial direction A an axial play and / or a maximum possible angular displacement is easily adjustable.
  • the driver elements 9 are designed as cylindrical pins 30, which sit with a cylinder section 31 in the transverse bore 8 and have a crowned or spherical driver section 11.
  • the driver section 11 of the cylindrical pins 30, which protrudes beyond the outer surface 6 of the shaft is not cylindrical, but rather has a crowned or spherical three-dimensional shape.
  • an outer cylinder surface of the cylindrical pins 30 should not come into contact with the side walls 13 of the axial groove recess 12 .
  • driver elements 9 as cylindrical pins 30 makes it possible to dispense with the intermediate piece 16 and still ensure that driver elements 9 lying opposite one another in the radial direction R in the transverse bore 8 rest against one another, without having to select an excessively large diameter for the transverse bore 8.
  • driver elements 9 two cylindrical pins 30 with a crowned and/or spherical driver section 11 are shown as driver elements 9.
  • driver element 9 Only the area in which the cylindrical pin 30 is present and is arranged within the transverse bore 8 is cylindrical.
  • driver element 9 Only the area in which the cylindrical pin 30 is present and is arranged within the transverse bore 8 is cylindrical.
  • driver section 11 Only the area in which the cylindrical pin 30 is present and is arranged within the transverse bore 8 is cylindrical.
  • z. B. offer a dowel pin with lens-shaped peaks at both ends.
  • the axial groove recess 12 of this embodiment corresponds in terms of its cross section to the previously described axial groove recess 12, which has a groove base 17 which is aligned perpendicularly to the radial direction R and has side walls 13 inclined at an angle a to the radial direction R, so that overall a is formed in approximately trapezoidal cross-sectional space shape.
  • the angle a between the side walls 13 and the radial direction R can be the same or different for both side walls 13, so that different contact patterns between the side walls 13 and the spherical and/or spherical driver section 11 are present at the contact points.
  • Those side walls 13 against which the driver elements 9 bear for torque transmission are to be understood as driver surfaces of the axial groove recesses 12 which cooperate with the driver sections 11 of the driver elements 9 in a force-transmitting manner during a rotating drive.
  • driver elements 9 described above as a pair of cylindrical pins 30 or a single cylindrical pin 30 can also be used without further ado in a shaft-hub connection 1 with the different embodiments of the axial groove recesses 12 described below.
  • FIGS. 5b to 5f relate to different configurations of the axial groove recesses 12.
  • the figures each show different variants of the axial groove recesses 12 in an engagement situation in the area of the driver element 9 shown in the drawing above.
  • corresponding axial groove recesses 12 are also present and implemented in the area of the driver elements 9 shown in the drawing below.
  • Asymmetric groove shapes of the axial groove recesses 12 will be described with reference to FIGS. 5b to 5f, so that for their technical understanding it makes sense to specify a direction of rotation DR, ie a direction of load transmission.
  • the shaft 2 of the shaft-hub connection 1 shown is a drive shaft, which torque on the Hubs 3 transmits.
  • the direction of rotation DR of the shaft 2 is marked with an arrow. Due to their asymmetry, the embodiments of the different axial groove recesses 12 described below are mainly suitable for operation with only one direction of rotation D R , as shown in FIGS. 5b to 5f.
  • a direction of rotation opposite to the direction of rotation D R and the resulting forces can be transmitted with the illustrated axial groove shapes of the axial groove recesses 12, but symmetrical axial groove recesses 12 are particularly suitable for such a load case (changing directions of rotation).
  • the axial groove recess 12 is designed as a groove with a semicircular cross section or at least a circular segment, the radius of which is slightly larger than the radius of the convex/spherical section of the driver element 9 or of the ball 10 present in the exemplary embodiment shown to bring snugly into contact with the groove surface of the axial groove recess 12, which reduces the surface pressures accordingly.
  • FIG. 5c A further embodiment of the axial groove recess 12 is shown in FIG. 5c.
  • the axial groove recess 12 is provided with an inclined surface 18, seen in the direction of rotation DR, which has an angle ⁇ that is larger than the angle a in the embodiment according to FIG. 5a. In the present example, this angle is in particular approximately 45°.
  • the groove base 17 is aligned perpendicularly to the radial direction R in this embodiment.
  • a side wall 13 opposite the inclined surface 18 runs parallel to the radial direction R.
  • the side walls 13 run parallel to the radial direction R.
  • FIG. 5e A further exemplary embodiment is shown in FIG. 5e.
  • the axial groove recess 12 is formed as a quarter-circular groove in cross-section, which has a side wall 13 has, which is perpendicular to the radial direction R.
  • the side wall 13 of this embodiment is formed by means of an arcuate wall 19, in particular in the shape of a quarter of a circle, the radius of which is greater than the radius of the protruding part (carrier section 11) of the carrier element 9, so that in this embodiment too a snug contact of the carrier element 9, in particular its crowned part or spherical protruding area.
  • a side wall 13 runs parallel to the radial direction R.
  • the groove bottom 17 is guided to the inner surface 5 of the hub by means of a curved wall 19a.
  • a radius of the arcuate wall 19a is also chosen to be larger than the radius of the spherical driver element 9 or the protruding portion (driver section 11) of the driver element 9.
  • connection 1 With the shaft-hub connection 1 according to the invention, it is possible with particularly simple means (configuration of the driver elements 9, e.g. as balls 10) and particularly simple manufacturing processes (drilling, turning, internal turning and broaching, possibly sintering), to To create connection 1, which on the one hand allows a good, form-fitting, in particular backlash-free torque transmission and on the other hand can compensate for an angular offset between the shaft center axis M and the hub axis N, which is in a range of a few degrees, in particular in a range between 0 ° and 3 °, more preferably between 0° and 1°.
  • Such a shaft-hub connection 1 is particularly suitable for use in a fluid pump (not shown), for example between a shaft 2, which is designed as a pump shaft 2a, and a hub 3, which is designed as a pump rotor 3a, for example.
  • FIG. 6 shows such a fluid pump 100 according to the invention in a longitudinal section, which has a shaft-hub connection 1 according to the invention.
  • a fluid pump 100 has a drive housing 101 in which a drive motor 102 is arranged.
  • the drive motor 102 has a drive shaft 103 which can be rotated about the central axis M by means of roller bearings 104 .
  • the fluid pump 100 has a pump housing 105 in which a pump element 106 is arranged so as to be rotatable about the center axis M.
  • the pump element 106 is non-rotatably connected to a shaft journal 107 via the shaft-hub connection 1 according to the invention.
  • the shaft journal 107 thus corresponds to the shaft 2 described in the preceding description of the shaft-hub connection 1 according to the invention.
  • the pump element 106 corresponds to the pump rotor 3a described above.
  • the pump element 106 has the widened hub opening 4a, through which the shaft journal 107 passes. Furthermore, the hub opening 4 is present, through which the shaft journal 107 also passes.
  • the shaft journal 107 has the transverse bore 8 in which the driver elements 9 are seated.
  • the area of the driver elements 9 that protrudes beyond the outer surface of the shaft 6 is seated in the axial groove recesses 12.
  • an elastic element e.g. B. a compression spring used.
  • the shaft-hub connection 1 according to the invention in the application of a fluid pump 100, it is possible in particular to compensate for an angular offset between the central axis M of the shaft 2/drive shaft 103/the shaft journal 107 and a hub axis N of the pump element 106/the hub 3. In this way, it can be advantageously achieved that the pump element 106 or the pump rotor 3a can be guided in the drive housing 101 or relative to the pump housing 105 with relatively little play, and pump gap losses can thus be minimized.
  • the shaft-hub connection 1 according to the invention is particularly simple and inexpensive to produce and easy to assemble. Reference List

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Abstract

The invention relates to a shaft-hub connection for a pump rotor (3a) on a pump shaft (2a), comprising: a shaft (2) having a shaft outer surface (6) and a central axis (M); a hub (3) which has a hub opening (4) comprising a hub inner surface (5) for receiving at least one portion (7) of the shaft (2), wherein the hub opening (4) has a hub axis (N); wherein the shaft (2) has at least one transverse bore (8) for receiving at least one driver element (9) and the hub inner surface (5) has, corresponding to the at least one transverse bore (8), at least one axial groove recess (12) and wherein at least one driver element (9) is accommodated in the at least one transverse bore (8) and projects radially outwardly beyond the shaft outer surface (6) at least in portions. The projecting portion (7) of the driver element (9) sits in the axial groove and the projecting portion (7) of the driver element (9) has a crowned or spherical surface. A sum of the individual diameters of the driver elements (9) is greater than the shaft diameter (Dw) in the axial region of the transverse bore (8).

Description

Welle-Nabe-Verbindung und Fluidpumpe aufweisend die Shaft-hub connection and fluid pump having the
Welle-Nabe-Verbindung shaft-hub connection
Die Erfindung betrifft eine Welle-Nabe-Verbindung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Fluidpumpe aufweisend die Welle-Nabe-Verbindung. The invention relates to a shaft-hub connection according to the preamble of claim 1 and a fluid pump having the shaft-hub connection.
Aus der WO 02/099300 Al ist eine gattungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung bekannt. Diese Welle-Nabe-Verbindung nutzt ballige Längsnuten in der Welle und/oder in der Nabe, in der Mitnehmerelemente sitzen, die rollenartig mit balligen oder wenigstens abgerundeten Außenflächen ausgebildet sind. Eine derartige Welle-Nabe- Verbindung ist aufwendig in der Herstellung. Es sind 3D-Formfräsarbeiten notwendig, welche einen erhöhten Herstellaufwand bedeuten. A generic shaft-hub connection is known from WO 02/099300 A1. This shaft-hub connection uses convex longitudinal grooves in the shaft and/or in the hub, in which driver elements are seated, which are designed like rollers with convex or at least rounded outer surfaces. Such a shaft-hub connection is expensive to manufacture. 3D form milling work is necessary, which means increased production costs.
Bei einer Vielzahl von über den Umfang verteilten Nuten besteht zudem die Gefahr einer statischen Überbestimmung, so dass die Fertigung der Nutengeometrie und der Nutenlagen relativ zueinander und bezüglich der Welle sehr genau sein muss und nur enge Form- und Lagetoleranzen erlaubt werden können. Außerdem können konstruktionsbedingte statische Überbestimmungen zu Verschleiß und Geräuschen, d. h. z. B. im Betrieb einer Fluidpumpte zu unnötigen Wirkungsgradverlusten führen. With a large number of grooves distributed over the circumference, there is also the risk of static overdetermination, so that the production of the groove geometry and the groove positions relative to one another and with respect to the shaft must be very precise and only narrow shape and position tolerances can be allowed. In addition, design-related static overrides regarding wear and noise, i. H. e.g. B. lead to unnecessary efficiency losses in the operation of a fluid pump.
Insbesondere in der Anwendung für eine Fluidpumpe können statische Überbestimmungen zu wechselndem Reibverhalten zwischen der Welle und der Nabe fuhren, was - wenn die Nabe beispielsweise ein Pumpenrotor ist - zu Pulsation im Druckaufbau der Pumpe fuhren kann. In particular when used for a fluid pump, static overdeterminations can lead to changing frictional behavior between the shaft and the hub, which—if the hub is a pump rotor, for example—can lead to pulsation in the pressure build-up of the pump.
Aus der DE 4224736A1 ist eine gattungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung bekannt. A generic shaft-hub connection is known from DE 4224736A1.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine mit einfachen Herstellverfahren, insbesondere ohne aufwendige 3D-Formgebungen, z. B. 3D- Formfräsungen, herstellbare Welle-Nabe-Verbindung bereitzustellen, welche einerseits in der Lage ist, einen Winkelversatz zwischen einer Welle und einer Nabe auszugleichen und andererseits eine bis auf Materialelastizitäten starre Drehmomentübertragung zwischen der Welle und der Nabe ermöglicht. Der auszugleichende Winkelversatz, insbesondere im Bereich der Fluidpumpen, liegt im Bereich von wenigen Grad, insbesondere zwischen 0° und 3°, besonders bevorzugt zwischen 0° und 1°. Against this background, it is an object of the invention to provide a simple manufacturing process, in particular without complex 3D shapes such. B. 3D Provide form milling, manufacturable shaft-hub connection, which on the one hand is able to compensate for an angular offset between a shaft and a hub and on the other hand allows a rigid up to material elasticity torque transmission between the shaft and the hub. The angular offset to be compensated, in particular in the area of the fluid pumps, is in the range of a few degrees, in particular between 0° and 3°, particularly preferably between 0° and 1°.
Explizit nicht Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gelenkverbindung bereitzustellen, wie sie beispielsweise im Bereich der Kardan- oder Gleichlaufgelenke üblich ist und Winkelversätze von mehreren Grad bis hin zu mehreren zig Grad erlaubt. It is not an explicit object of the invention to provide an articulated connection, as is common, for example, in the field of cardan or constant velocity joints and allows angular offsets of several degrees up to several tens of degrees.
Im Fokus dieser Erfindung steht eine einfache Hersteilbarkeit der Welle-Nabe- Verbindung mit einfachen Formgebungs verfahren wie z. B. Bohren, Räumen, Drehen und dergleichen. Derart einfache, kostengünstige und weitverbreitete Verfahren sollen eine solche Herstellung erlauben. Außerdem sollen mechanische Überbestimmungen und hieraus resultierende Nachteile wenigstens vermindert sein. The focus of this invention is a simple producibility of the shaft-hub connection with simple shaping process such. B. drilling, broaching, turning and the like. Such simple, inexpensive and widespread methods should allow such a production. In addition, mechanical overdeterminations and the disadvantages resulting therefrom should at least be reduced.
Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung, eine Fluidpumpe anzugeben, welche in besonderer Art und Weise unempfindlich ist gegenüber einem Winkelversatz insbesondere zwischen einer Antriebswelle und eines Rotors der Fluidpumpe, wobei es aufgrund von Durchbiegungen oder Verbiegungen der Antriebswelle im Lastfall durch Kräfte auf den Rotor zu Winkel Versätzen zwischen dem Rotor und der Welle kommen kann. Eine solche Fluidpumpe soll in der Lage sein, bei geringem Verschleiß und geringer Geräuschentwicklung unempfindlich gegenüber solchen Winkelversätzen zu sein. Furthermore, the object of the invention is to specify a fluid pump which is particularly insensitive to an angular misalignment, in particular between a drive shaft and a rotor of the fluid pump, with deflection or bending of the drive shaft under load caused by forces on the rotor Misalignments between the rotor and the shaft can occur. Such a fluid pump should be able to be insensitive to such angular misalignments with little wear and tear and little noise.
Die Aufgaben werden mit einer Welle-Nabe-Verbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Aufgaben hinsichtlich der Fluidpumpe werden mit einer Fluidpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. The tasks are solved with a shaft-hub connection with the features of claim 1. Advantageous embodiments are specified in the dependent claims. The tasks with regard to the fluid pump are solved with a fluid pump having the features of claim 19 .
Erfindungsgemäß weist eine Welle-Nabe-Verbindung, insbesondere für einen Pumpenrotor auf einer Pumpenwelle auf: eine Welle mit einer Wellenaußenfläche und einer Mittelachse M; eine Nabe mit einer eine Nabeninnenfläche aufweisenden Nabenöffhung zur Aufnahme wenigstens eines Teilbereichs der Welle, wobei die Nabenöffhung eine Nabenachse N besitzt, wobei die Welle wenigstens eine Querbohrung zur Aufnahme wenigstens eines Mitnehmerelements aufweist und die Nabeninnenfläche korrespondierend zu der mindestens einen Querbohrung je mindestens eine Axialnutausnehmung besitzt und wobei in der mindestens einen Querbohrung mindestens ein Mitnehmerelement aufgenommen ist, welches die Wellenaußenfläche wenigstens teilbereichsweise radial nach außen überragt und der überragende Teilbereich des Mitnehmerelements in der Axialnut sitzt, wobei der überragende Teilbereich des Mitnehmerelements eine ballige oder kugelige Oberfläche besitzt. Eine derartige Welle- Nabe-Verbindung ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass eine Summe der Einzeldurchmesser der Mitnehmerelemente größer als der Wellendurchmesser im Axialbereich der Querbohrung ist. According to the invention, a shaft-hub connection, in particular for a pump rotor on a pump shaft, has: a shaft with a shaft outer surface and a central axis M; a hub with a hub opening having a hub inner surface for accommodating at least a partial area of the shaft, the hub opening having a hub axis N, the shaft having at least one transverse bore for accommodating at least one driver element and the hub inner surface corresponding to the at least one transverse bore having at least one axial groove recess each and wherein at least one driver element is accommodated in the at least one transverse bore, which at least partially protrudes radially outwards beyond the outer surface of the shaft and the protruding subarea of the driver element sits in the axial groove, the protruding subarea of the driver element having a convex or spherical surface. Such a shaft-hub connection is developed according to the invention in that the sum of the individual diameters of the driver elements is greater than the shaft diameter in the axial area of the transverse bore.
Mit einer erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung gelingt es, einen Winkelversatz zwischen einer Welle und einer Nabe unter Aufrechterhaltung einer insbesondere starren Drehmomentübertragbarkeit zu realisieren, wobei zur Ausbildung der Welle-Nabe-Verbindung besonders einfache Fertigungsverfahren eingesetzt werden können. So können beispielsweise die Querbohrung in einfacher Art und Weise mittels Bohren, die Nabeninnenfläche, die Wellenaußenfläche mittels Drehen/Innendrehen und die Axialnuten mittels Räumen hergestellt werden. Weiter vereinfacht bietet sich das Sintern der Nabe an. Dies stellt bei hohen Stückzahlen das wirtschaftlichste Verfahren dar. Die Mitnehmerelemente sind in besonders einfacher Art und Weise als Wälzkörper, nämlich als Kugeln ausgebildet. With a shaft-hub connection according to the invention, it is possible to achieve an angular offset between a shaft and a hub while maintaining a particularly rigid torque transmission capability, with particularly simple manufacturing methods being able to be used to form the shaft-hub connection. For example, the transverse bore can be produced in a simple manner by means of drilling, the inner surface of the hub, the outer surface of the shaft by turning/internal turning and the axial grooves by means of broaching. The sintering of the hub is further simplified. This is the most economical method for large quantities. The driver elements are designed in a particularly simple manner as rolling bodies, namely as balls.
Eine derartige Welle-Nabe-Verbindung ist in der Lage, Winkel Versätze bis zu wenigen Grad zwischen einer Antriebswelle und einem Pumpenrad oder allgemein gesagt, einem Nabenträger bereitzustellen. Such a shaft-hub connection is able to provide angular misalignments of up to a few degrees between a drive shaft and an impeller or, more generally, a hub carrier.
Die Drehmomentübertragung erfolgt in relativ starrer Art und Weise, da die Mitnehmerelemente auf Scherung bzw. auf Druck beansprucht werden und in dieser Belastungsrichtung bis auf materialspezifische Elastizitäten besonders steif ausgebildet sind. The torque is transmitted in a relatively rigid manner, since the driver elements are subjected to shearing or pressure and in this Load direction are designed to be particularly stiff except for material-specific elasticity.
Eine solche Welle-Nabe-Verbindung ermöglicht es an anderer Stelle einer Gerätschaft, in der die Welle-Nabe-Verbindung eingesetzt wird, gegebenenfalls höhere Fertigungstoleranzen zu tolerieren, da ein Winkelversatz akzeptiert werden kann. Such a shaft-hub connection makes it possible to tolerate higher manufacturing tolerances at another point of a piece of equipment in which the shaft-hub connection is used, since an angular misalignment can be accepted.
Der Aufbau der Welle-Nabe-Verbindung ermöglicht es weiterhin, auch bei der Welle-Nabe-Verbindung selbst ein Minimum an engen Toleranzen einhalten zu müssen. Beispielsweise muss lediglich ein Abstandsmaß zwischen den Berührflächen der Axialnut und den Kugeln besonders eng toleriert werden, um möglichst kein Rotationsspiel zu ermöglichen. In einer weiter unten beschriebenen Ausführungsform kann auch diese Anforderung durch Vorsehen von Vorspannelementen entfallen. Des Weiteren muss nur noch dafür gesorgt werden, dass ein Zentrallauf möglich ist, d. h., dass die Welle möglichst zentrisch in der Nabe sitzt. Derartige Toleranzen sind in der Anzahl gering und hinsichtlich ihrer Einhaltung weniger aufwändig. Insbesondere teure Positions- und Flächentoleranzen, wie sie bei statisch mehrfach überbestimmten System gemäß dem Stand der Technik auftreten, entfallen. Des Weiteren entfallen in vorteilhafter Weise bei der Erfindung das aufwändige Ausbilden von 3D-Konturflächen. The structure of the shaft-hub connection also makes it possible to have to comply with a minimum of tight tolerances in the shaft-hub connection itself. For example, only a distance dimension between the contact surfaces of the axial groove and the balls has to be tolerated particularly tightly in order to allow as little rotational play as possible. In an embodiment described further below, this requirement can also be omitted by providing prestressing elements. Furthermore, it only has to be ensured that a central run is possible, i. This means that the shaft sits as centrally as possible in the hub. Such tolerances are few in number and less complex in terms of compliance. In particular, expensive position and surface tolerances, as they occur in statically multiply overdetermined systems according to the prior art, are eliminated. Furthermore, the complex formation of 3D contour surfaces is advantageously dispensed with in the case of the invention.
Darüber hinaus ist eine erleichterte Winkelbewegung durch minimalen Seitenzwang der Verbindung ermöglicht. Insbesondere im geringen Winkelversatzbereich von bis zu 3°, insbesondere bis zu 1° ist eine besonders leichtgängige Bewegung erwartbar. In addition, facilitated angular movement is enabled through minimal side constraint of the connection. A particularly smooth movement can be expected in particular in the small angular offset range of up to 3°, in particular up to 1°.
Insbesondere wenn die Querbohrung mittels gleichartiger kugelförmiger Mitnehmerelemente befüllt wird, ist es mit der Erfindung in einfacher Art und Weise möglich, über deren Durchmesser eine erforderliche Anzahl und/oder Größe der Kugeln einzustellen. In particular when the transverse bore is filled by means of similar spherical driver elements, it is possible with the invention in a simple manner to set a required number and/or size of the balls via their diameter.
Wird der Durchmesser der Mitnehmerelemente erfindungsgemäß so gewählt, dass eine Summe der Durchmesser der Mitnehmerelemente größer ist als der Wellendurchmesser im Axialbereich der Querbohrung, ist es im einfachsten Fall möglich, lediglich zwei Mitnehmerelemente vorzusehen, die in der Querbohrung sitzen und trotzdem einen radialen Überstand bilden, der im Zusammenspiel mit der Axialnutausnehmung zur Drehmomentübertragung genutzt werden kann. If the diameter of the driver elements is selected according to the invention so that a sum of the diameters of the driver elements is greater than that Shaft diameter in the axial area of the transverse bore, it is possible in the simplest case to provide only two driver elements that sit in the transverse bore and still form a radial overhang that can be used in conjunction with the axial groove recess for torque transmission.
Mit der Erfindung ist es somit möglich, eine Welle-Nabe-Verbindung zu schaffen, die besonders einfach aufgebaut und mit wenigen einfach herzustellenden Bauteilen verwirklichbar ist. Eine solche Welle-Nabe- Verbindung, die weiter oben näher definierte geringe Winkelversätze ausgleichen kann, eignet sich insbesondere zur Verwendung in Fluidpumpen, besonders in Klein-Fluidpumpen und den in diesem technischen Gebiet üblicherweise auftretenden Fertigungstoleranzen. With the invention it is thus possible to create a shaft-hub connection that is particularly simple in design and can be realized with a few components that are easy to produce. Such a shaft-hub connection, which can compensate for small angular offsets defined in more detail above, is particularly suitable for use in fluid pumps, especially in small fluid pumps and the manufacturing tolerances that usually occur in this technical field.
Eine sinnvolle Obergrenze des Durchmessers jedes Mitnehmerelements, der erfindungsgemäß größer ist als der halbe Wellendurchmesser im Bereich der Querbohrung, ergibt sich für den Fachmann ohne weiteres in Abhängigkeit des zu übertragenden Drehmoments, welches durch die Mitnehmerelemente einerseits und die verbleibende Restwandstärke der Welle im Bereich der Querbohrung andererseits übertragen werden muss. Selbstverständlich kann diese Restwandstärke an deren dünnster Stelle nicht beliebig dünn ausgebildet werden. Für den Einsatzbereich von Klein-Fluidpumpen hat sich beispielsweise eine Restwandstärke an deren dünnster Stelle von mindestens 10 % bis 20 %, insbesondere mindestens 15 % bis 20 %, des Wellendurchmessers als zweckmäßig erwiesen. Mit einer solchen Konstruktion kann beispielsweise für den Fall einer Restwandstärke von 20 % der radiale Überstand jedes der Mitnehmerelemente 10 % des Wellendurchmessers betragen. A sensible upper limit for the diameter of each driver element, which according to the invention is greater than half the shaft diameter in the area of the transverse bore, is readily apparent to the person skilled in the art depending on the torque to be transmitted, which is caused by the driver elements on the one hand and the remaining wall thickness of the shaft in the area of the transverse bore on the other hand must be transmitted. Of course, this remaining wall thickness cannot be made arbitrarily thin at its thinnest point. For example, a residual wall thickness at the thinnest point of at least 10% to 20%, in particular at least 15% to 20%, of the shaft diameter has proven to be expedient for the area of application of small fluid pumps. With such a construction, for example, in the case of a residual wall thickness of 20%, the radial overhang of each of the driver elements can be 10% of the shaft diameter.
In einer besonderen Ausführungsform ist das wenigstens eine Mitnehmerelement als Kugel ausgebildet. In a special embodiment, the at least one driver element is designed as a ball.
Hierbei handelt es sich um besonders einfache und in großen Stückzahlen vorliegende Standardwälzkörper, die kostengünstig erhältlich sind. Des Weiteren ist die Montage von Kugeln besonders einfach, da zum Einsetzen der Kugeln diese nicht ausgerichtet werden müssen. In einer besonderen Ausführungsform ist die Querbohrung eine Durchgangsquerbohrung oder eine Sacklochquerbohrung. These are particularly simple standard rolling bodies that are available in large numbers and are available at low cost. Furthermore, the assembly of balls is particularly easy, since they do not have to be aligned to insert the balls. In a particular embodiment, the transverse bore is a through transverse bore or a blind transverse bore.
Im Falle einer Durchgangsbohrung ist diese besonders einfach herzustellen, da keine Rücksicht auf ein bestimmtes Tiefenmaß zu nehmen ist. Eine Sacklochquerbohrung bietet sich dann an, wenn beispielsweise nur ein kugelförmiges Mitnehmerelement aufgenommen werden soll. In diesem Fall ist die Tiefe der Sacklochbohrung entsprechend zu tolerieren. Sacklochbohrungen sind darüber hinaus in einfacher Art und Weise für mehrere über den Umfang verteilte Mitnehmerelemente (geradzahlig oder ungeradzahlig) realisierbar, ohne dass die Mitnehmerelemente in einer Radialrichtung gegenüberliegend angeordnet sein müssen. Eine derartige gegenüberliegende Anordnung ist allerdings in einfacher Art und Weise mit der oben erwähnten Durchgangsquerbohrung ermöglicht. In the case of a through hole, this is particularly easy to produce, since no consideration needs to be given to a specific depth dimension. A blind hole cross bore is useful if, for example, only a spherical driver element is to be accommodated. In this case, the depth of the blind hole must be tolerated accordingly. In addition, blind holes can be realized in a simple manner for a plurality of driver elements (even or odd) distributed over the circumference, without the driver elements having to be arranged opposite one another in a radial direction. Such an opposite arrangement is, however, made possible in a simple manner with the above-mentioned through transverse bore.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Querbohrungsachse QA recht- oder schiefwinklig zur Mittelachse M ausgerichtet. In a further preferred embodiment of the invention, a transverse bore axis QA is aligned at right angles or at an oblique angle to the central axis M.
Im einfachsten Fall ist die Durchgangsquerbohrung bzw. der Querbohrungsachse QA rechtwinklig zur Mittelachse M der Welle ausgerichtet. Sie kann allerdings auch schiefwinklig sein, so dass die Mitnehmerelemente in einer Axialrichtung der Welle gesehen versetzt zueinander angeordnet sind. In the simplest case, the through-cross bore or the cross-bore axis QA is aligned at right angles to the central axis M of the shaft. However, it can also be at an oblique angle, so that the driver elements are arranged offset to one another, viewed in an axial direction of the shaft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sitzt in der Querbohrung eine Mehrzahl sich mittelbar oder unmittelbar berührender Mitnehmerelemente. In a further preferred embodiment of the invention, a plurality of driver elements touching one another directly or indirectly sits in the transverse bore.
Zur Überbrückung des Wellenquerschnittes kann in der Querbohrung, insbesondere im Falle einer Durchgangsquerbohrung eine Mehrzahl sich mittelbar oder unmittelbar berührender Mitnehmerelemente angeordnet sein. Eine derartige Anordnung ermöglicht es, alleine durch das Vorsehen einer geeigneten Anzahl von Mitnehmerelementen einen entsprechenden Radialüberstand der Mitnehmerelemente über die Wellenaußenfläche sicherzustellen und für eine ausreichende Abstützung der Mitnehmerelemente in der Radialrichtung zu sorgen. In order to bridge the cross section of the shaft, a plurality of driver elements touching one another directly or indirectly can be arranged in the transverse bore, in particular in the case of a through transverse bore. Such an arrangement makes it possible, simply by providing a suitable number of driver elements, for the driver elements to protrude radially beyond the outer surface of the shaft ensure and to ensure sufficient support of the driver elements in the radial direction.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nabeninnenfläche mit Ausnahme der Axialnut eine zylindrische oder teilzylindrische, d. h. zylinderschalenförmige Fläche ist. A further embodiment of the shaft-hub connection according to the invention is characterized in that the inner surface of the hub, with the exception of the axial groove, is cylindrical or part-cylindrical, ie. H. cylindrical shell-shaped surface.
Die Nabeninnenfläche kann in diesem Fall in besonders einfacher Art und Weise als Bohrung oder als Innenausdrehfläche erzeugt werden, in die dann mittels Räumen die Axialnuten eingebracht werden. Dies ist eine besonders einfache Art der Herstellung. In this case, the inner surface of the hub can be produced in a particularly simple manner as a bore or as an internal turning surface, into which the axial grooves are then introduced by broaching. This is a particularly simple way of manufacturing.
In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Welle-Nabe- Verbindung ist zwischen zwei benachbarten Mitnehmerelementen ein Zwischenstück eingesetzt. In a further embodiment of the shaft-hub connection according to the invention, an intermediate piece is inserted between two adjacent driver elements.
Insbesondere für größere Wellendurchmesser ist es empfehlenswert, zwischen Mitnehmerelementen, also im Bereich des Wellenzentrums der Welle, ein Zwischenstück einzusetzen. Dies kann gegebenenfalls zylindrisch oder scheibenförmig oder rohrförmig sein, so dass eine punkt- bzw. ringlinienförmige Auflage der Kugeln gewährleistet ist. Dies reduziert die Flächenpressung der Kugeln gegeneinander und verhindert ungewollte Abplattungen im Betrieb. Weiterhin ist durch das Vorsehen von Zwischenelementen eine Querbohrung mit kleinerem Durchmesser und damit eine Übertragung höherer Drehmomente möglich. In particular for larger shaft diameters, it is advisable to use an intermediate piece between driver elements, i.e. in the area of the center of the shaft. This can optionally be cylindrical or disk-shaped or tubular, so that a punctiform or ring-shaped support of the balls is ensured. This reduces the surface pressure of the balls against each other and prevents unwanted flattening during operation. Furthermore, by providing intermediate elements, a transverse bore with a smaller diameter and thus a transmission of higher torques is possible.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Zwischenstück elastisch vorgespannt, um die Mitnehmerelemente radial nach außen vorzuspannen. In a further embodiment of the present invention, the intermediate piece is elastically prestressed in order to radially outwardly prestress the driver elements.
Das Zwischenstück kann beispielsweise ein verformbares Material wie z. B. ein Gummi oder Hartgummi oder ein Federelement sein, um die Mitnehmerelemente radial nach außen vorzuspannen. Dies sorgt für einen besonders ruhigen Lauf, da eine Spielfreiheit in Rotationsrichtung/Umfangsrichtung zwischen den Mitnehmerelementen und Begrenzungswandungen der Axialnuten, insbesondere wenn die Begrenzungswandungen schräggestellt/ geneigt sind, erfolgen kann. The intermediate piece can, for example, a deformable material such. B. be a rubber or hard rubber or a spring element to bias the driver elements radially outwards. This ensures particularly smooth running, since there is no play in the direction of rotation/circumferential direction between the driver elements and boundary walls of the axial grooves, particularly when the boundary walls are inclined.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Seitenwände der Axialnut gegenüber einer Radialrichtung R um einen Winkel a geneigt ausgebildet. In a further preferred embodiment, side walls of the axial groove are designed to be inclined by an angle α with respect to a radial direction R.
Um einen Winkel a geneigte Seitenwände der Axialnut gegenüber einer Radialrichtung R helfen, einen besonders geräuscharmen Lauf der Welle-Nabe- Verbindung sicherzustellen, insbesondere wenn Mitnehmerelemente radial vorgespannt gegen derart schräggestellte/geneigte Wände anliegen. Side walls of the axial groove that are inclined by an angle α relative to a radial direction R help to ensure particularly low-noise operation of the shaft-hub connection, in particular when driver elements rest radially pretensioned against such sloping/inclined walls.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist die Nabe axial benachbart zur Nabeninnenfläche radial erweitert ausgebildet und bildet mit der Wellenaußenfläche einen Ringspalt. In a further special embodiment, the hub is designed to be radially expanded axially adjacent to the inner surface of the hub and forms an annular gap with the outer surface of the shaft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Welle axial benachbart zur Querbohrung radial verkleinert ausgebildet und bildet mit einer Nabeninnenfläche einen Ringspalt. In a further preferred embodiment of the invention, the shaft is designed to be radially reduced axially adjacent to the transverse bore and forms an annular gap with an inner surface of the hub.
Mit den oben genannten beiden Ausführungsformen zur Erzeugung eines Ringspaltes ist es besonders vorteilhaft, dass die Nabeninnenfläche und insbesondere auch die entsprechenden Axialnuten in Axialrichtung kurz gehalten werden können und somit der Bearbeitungsaufwand hinsichtlich der entsprechenden Toleranzen aufgrund kleinerer Flächenausdehnungen minimiert ist. Zudem stellt ein Ringspalt eine einfache Möglichkeit dar, für eine Zentrierung oder eine axiale Abstützung der Welle gegenüber der Nabe zu sorgen, wie es weiter unten beschrieben werden wird. With the above two embodiments for generating an annular gap, it is particularly advantageous that the inner surface of the hub and in particular also the corresponding axial grooves can be kept short in the axial direction and thus the processing effort with regard to the corresponding tolerances is minimized due to smaller surface areas. In addition, an annular gap represents a simple way of ensuring that the shaft is centered or axially supported relative to the hub, as will be described further below.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform sitzt im Ringspalt zur Zentrierung der Nabe gegenüber der Welle ein Zentrierring. According to an advantageous embodiment, a centering ring is seated in the annular gap for centering the hub relative to the shaft.
Ein Zentrierring stellt eine besonders einfache Möglichkeit dar, durch Abstützung der Welle gegenüber der Nabe im Ringspalt eine Zentrierung der Welle bezüglich der Nabe zu erreichen. Bevorzugt ist der Zentrierring aus einem gegenüber der Welle und/oder der Nabe elastischeren Material gebildet. A centering ring is a particularly simple way of centering the shaft with respect to the hub in the annular gap by supporting the shaft reach hub. The centering ring is preferably formed from a material that is more elastic than the shaft and/or the hub.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform sitzt zur Begrenzung der axialen Verschiebbarkeit der Welle relativ zur Nabe ein Stützring im Ringspalt. In a further special embodiment, a support ring is seated in the annular gap to limit the axial displacement of the shaft relative to the hub.
Ein Stützring, der sich gegebenenfalls an axialen Schulterflächen der Nabe und/oder der Welle abstützt, kann für eine axiale Festlegung der Nabe bezüglich der Welle sorgen und stellt eine einfache Möglichkeit zur Sicherstellung der Axialführung der Nabe bezüglich der Welle dar. A support ring, which may be supported on axial shoulder surfaces of the hub and/or the shaft, can ensure that the hub is fixed axially with respect to the shaft and represents a simple way of ensuring that the hub is guided axially with respect to the shaft.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Bereich einer radialen Außenkante der Querbohrung die Querbohrung radial nach innen auf einen gegenüber dem Durchmesser des Mitnehmerelements kleineren Durchmesser verformt. In a further preferred embodiment of the invention, in the region of a radial outer edge of the transverse bore, the transverse bore is deformed radially inward to a smaller diameter than the diameter of the driver element.
Eine derartige Verformung der Querbohrung, beispielsweise durch Quetschen oder Verstemmen oder andersartige mechanische Verformung, ist eine einfache Möglichkeit, in einem Zeitraum vor der Montage der Welle in der Nabe ein unbeabsichtigtes Verlieren von Mitnehmerelementen zu vermeiden. Aufgrund eines lokal verengten freien Durchmessers der Querbohrung sind wenigstens die Mitnehmerelemente unverlierbar gehalten. Such a deformation of the transverse bore, for example by squeezing or caulking or some other type of mechanical deformation, is a simple way of avoiding an unintentional loss of driver elements in a period before the shaft is installed in the hub. Due to a locally narrowed free diameter of the transverse bore, at least the driver elements are held captive.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung der Nabeninnenfläche größer ist als der Durchmesser des Mitnehmerelements, insbesondere größer als der Durchmesser des Mitnehmerelements in einer Tangentialebene an die Wellenaußenfläche und senkrecht zur Querbohrungsachse. A further embodiment of the shaft-hub connection according to the invention is characterized in that the axial extent of the inner surface of the hub is greater than the diameter of the driver element, in particular greater than the diameter of the driver element in a plane tangential to the outer surface of the shaft and perpendicular to the axis of the transverse bore.
Diese Maßnahme stellt eine Möglichkeit dar, bei Vorsehen von Stützringen einen ausreichenden axialen Freigang der Kugeln in der Axialnutausnehmung sicherzustellen und somit eine ausreichende Eignung der Welle-Nabe-Verbindung zum Winkelausgleich bereitzustellen. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Mitnehmerfläche der Axialnutausnehmung im Querschnitt gekrümmt, insbesondere an die ballige oder kugelige Oberfläche des überragenden Teilbereichs des Mitnehmerelements gleichsinnig anschmiegend gekrümmt ist. This measure represents a way of ensuring sufficient axial free movement of the balls in the axial groove recess when support rings are provided, and thus providing sufficient suitability of the shaft-hub connection for angle compensation. A further advantageous embodiment of the invention is characterized in that a driver surface of the axial groove recess is curved in cross section, in particular curved in the same direction so as to nestle against the convex or spherical surface of the protruding portion of the driver element.
Mit dieser Maßnahme gelingt es, durch das anschmiegende Anliegen des Mitnehmerelements bzw. dessen kugeliger oder balliger Oberfläche im überragenden Teilbereich eine besonders niedrige Flächenpressung zu erreichen und somit die Lebensdauer der Welle-Nabe-Verbindung zu erhöhen. With this measure, it is possible to achieve a particularly low surface pressure due to the snug fit of the driver element or its spherical or convex surface in the protruding sub-area and thus to increase the service life of the shaft-hub connection.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Fluidpumpe mit einer Antriebswelle und einem Pumpenrotor, wobei wenigstens eine Welle-Nabe-Verbindung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, insbesondere zur Welle-Nabe-Verbindung zwischen einer Antriebswelle und einem Pumpenrotor die Welle-Nabe-Verbindung nach einer der obigen Ausführungsformen vorgesehen ist. Another aspect of the invention relates to a fluid pump with a drive shaft and a pump rotor, wherein at least one shaft-hub connection according to one of the preceding embodiments, in particular for the shaft-hub connection between a drive shaft and a pump rotor, the shaft-hub connection according to one of the above embodiments is provided.
Die Anwendung der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung auf eine Fluidpumpe hat besondere Vorteile dahingehend, dass ein besonders leiser Lauf mit minimalem Verschleiß möglich ist. Zudem kann aufgrund eines bewusst tolerierten Winkel Versatzes der Wirkungsgrad einer Fluidpumpe, beispielsweise einer Zentrifugalpumpe, erhöht werden, da eine geringere Dichtspalthöhe möglich ist, so dass Verlustströmungen minimiert sind. Die Welle-Nabe-Verbindung kann eine lastbedingte Schiefstellung einer deformierten Welle tolerieren, ohne dass hieraus eine Schiefstellung des Pumprotors zwangsläufig folgt, so dass im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem eine solche Schiefstellung des Pumprotors auftreten kann, bei der Erfindung eine solche Schiefstellung verhindert ist und deswegen eine derartige Schiefstellung auch nicht in allen Dichtspalten durch das prophylaktische Vorsehen größerer Dichtspalte berücksichtigt werden muss. Eine ausreichende Vermeidung von Kollisionen zwischen Rotor und umgebenden Bauteilen des Pumpenraumes kann mit kleineren Dichtspalten realisiert werden, so dass der Wirkungsgrad erhöht wird. Des Weiteren profitiert eine derartige Fluidpumpe von einer besonders drehstarren Übertragungsmöglichkeit von Drehmoment der Welle auf den Rotor. The application of the shaft-hub connection according to the invention to a fluid pump has particular advantages in that particularly quiet running with minimal wear is possible. In addition, due to a deliberately tolerated angular offset, the efficiency of a fluid pump, for example a centrifugal pump, can be increased since a lower sealing gap height is possible, so that loss flows are minimized. The shaft-hub connection can tolerate a load-related skewing of a deformed shaft without this necessarily resulting in a skewing of the pump rotor, so that in contrast to the prior art, in which such a skewing of the pump rotor can occur, in the invention such a skewing is prevented and therefore such a misalignment does not have to be taken into account in all sealing gaps by the prophylactic provision of larger sealing gaps. A sufficient avoidance of collisions between the rotor and the surrounding components of the pump chamber can be realized with smaller sealing gaps, so that the efficiency is increased. Furthermore, such a fluid pump benefits from a particularly torsionally rigid possibility of transmitting torque from the shaft to the rotor.
Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: The invention is explained below by way of example with reference to the figures. Show it:
Figur 1 : einen Längsschnitt entlang einer Mittelachse einer Welle der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung in einer ersten Ausführungsform; FIG. 1: a longitudinal section along a central axis of a shaft of the shaft-hub connection according to the invention in a first embodiment;
Fig. 2: einen Längsschnitt entlang der Wellenlängsachse einer erweiterten erstenFig. 2: a longitudinal section along the shaft longitudinal axis of an expanded first
Ausführungsform der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung in einer perspektivischen Ansicht; Embodiment of the shaft-hub connection according to the invention in a perspective view;
Fig. 3: einen Querschnitt durch eine Mittelebene von Mitnehmerelementen durch die erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Welle-Nabe- Verbindung; 3 shows a cross section through a center plane of driver elements through the first embodiment of the shaft-hub connection according to the invention;
Fig. 4: einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung in einer Mittenebene der Mitnehmerelemente; 4 shows a cross section through a second embodiment of the shaft-hub connection according to the invention in a central plane of the driver elements;
Figs. 5a - 5f: jeweils schematische Querschnitte durch weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung in einer Mittenebene der Mitnehmerelemente, wobei sich die Ausführungsformen hinsichtlich der Ausgestaltung der Mitnehmerelemente (5a und 5b - 5f) und durch unterschiedliche Querschnittsausgestaltungen vonfigs 5a - 5f: each schematic cross-section through further embodiments of the shaft-hub connection according to the invention in a central plane of the driver elements, the embodiments differing in terms of the configuration of the driver elements (5a and 5b - 5f) and by different cross-sectional configurations of
Axialnutausnehmungen (5b - 5f) unterscheiden. Distinguish axial groove recesses (5b - 5f).
Fig. 6: eine Fluidpumpe aufweisend die Welle-Nabe-Verbindung gemäß derFig. 6: a fluid pump having the shaft-hub connection according to FIG
Erfindung im Längsschnitt. Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung 1 zeigen Figur 1 in einem Längsschnitt, Figur 2 in einem perspektivischen Längsschnitt und Figur 3 in einem Querschnitt durch eine Mittelebene von Mitnehmerelementen 9. Invention in longitudinal section. A first embodiment of the shaft-hub connection 1 according to the invention is shown in Figure 1 in a longitudinal section, Figure 2 in a perspective longitudinal section and Figure 3 in a cross section through a central plane of driver elements 9.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 4 dargestellt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Elemente betreffen und die zweite Ausführungsform lediglich hinsichtlich ihrer Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben werden wird. A second embodiment of the invention is shown in FIG. 4, where the same reference numbers refer to the same or comparable elements and the second embodiment will only be described with regard to its differences from the first embodiment.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in Figuren 5a bis 5f gezeigt, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Elemente betreffen und die weiteren Ausführungsformen lediglich hinsichtlich ihrer Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben werden. Insbesondere sind die in diesen Ausführungsformen beispielhaft gezeigten Mitnehmerelemente- Axialnutausnehmungen-Kombinationen untereinander und auch mit den Ausführungsformen gemäß Figur 1 bis 3 und 4 ohne Weiteres kombinierbar. Further embodiments of the invention are shown in FIGS. 5a to 5f, where the same reference symbols relate to the same or comparable elements and the further embodiments are only described with regard to their differences from the first embodiment. In particular, the driver element-axial groove recess combinations shown as examples in these embodiments can be easily combined with one another and also with the embodiments according to FIGS. 1 to 3 and 4.
Die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung 1 gemäß der ersten Ausführungsform besitzt eine Welle 2, die in einer möglichen Anwendung eine Pumpenwelle 2a sein kann. Die Welle 2 durchgreift eine Nabe 3, welche in einer besonderen Anwendung der Erfindung ein oder ein Teil eines Pumpenrotor(s) 3 a sein kann. Die Nabe 3 hat eine Nabenöffnung 4, welche durch eine Nabeninnenfläche 5 begrenzt ist. Die Nabeninnenfläche 5 ist in Figur 1 nicht sichtbar, sie wird in den Figuren 2, 3 und 4 angezogen. Der Nabeninnenfläche 5 ist korrespondierend eine Wellenaußenfläche 6 zugeordnet. Ein axialer Teilbereich 7 der Welle 2 durchgreift die Nabenöffhung 4. In diesem die Nabenöffnung 4 durchgreifenden Teilbereich 7 ist bevorzugt senkrecht zu einer Mittelachse M der Welle 2 eine Querbohrung 8 mit einer Querbohrungsachse QA vorgesehen. Die Querbohrungsachse QA steht - wie in den Ausführungsformen gezeigt - senkrecht auf der Wellenmittelachse M, kann jedoch auch schief winklig zu dieser angeordnet sein. In den Darstellungen gemäß der Figur 1 fallt die Wellenmittelachse M mit einer Nabenmittelachse N zusammen. Ziel der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung 1 ist es, einen Winkelversatz zwischen der Wellenmittelachse M und der Nabenachse N auszugleichen. Ein solcher Winkelversatz kann in einem geringen Winkelgradbereich vorkommen, beispielsweise durch elastische Verformung der Welle 2 im Betrieb einer Fluidpumpe (nicht gezeigt). The shaft-hub connection 1 according to the invention according to the first embodiment has a shaft 2, which can be a pump shaft 2a in one possible application. The shaft 2 passes through a hub 3, which in a special application of the invention can be a part or a pump rotor(s) 3a. The hub 3 has a hub opening 4 which is delimited by an inner surface 5 of the hub. The inner surface of the hub 5 is not visible in FIG. 1; it is drawn in FIGS. 2, 3 and 4. The inner surface 5 of the hub is assigned a corresponding outer surface 6 of the shaft. An axial partial area 7 of the shaft 2 passes through the hub opening 4 . As shown in the embodiments, the transverse bore axis QA is perpendicular to the central shaft axis M, but can also be arranged at an oblique angle thereto. In the illustrations according to FIG. 1, the center axis M of the shaft coincides with a center axis N of the hub. The aim of the shaft-hub connection 1 according to the invention is to compensate for an angular offset between the central shaft axis M and the hub axis N. Such an angular misalignment can occur in a small angular range, for example due to elastic deformation of the shaft 2 during operation of a fluid pump (not shown).
Ein derartiger Winkelversatz liegt möglicherweise in einem Bereich zwischen 0° und 3°, insbesondere in einem Winkelbereich zwischen 0° und 1°. Such an angular offset may be in a range between 0° and 3°, in particular in an angular range between 0° and 1°.
In der Querbohrung 8 sitzen Mitnehmerelemente 9, die erfindungsgemäß beispielsweise als Wälzkörper, nämlich als Kugel 10, ausgebildet sind. Ein Durchmesser D der Querbohrung 8 entspricht dabei im Wesentlichen einem Durchmesser D der Kugel 10, so dass diese spielfrei oder nahezu spielfrei in der Querbohrung 8, in einer Radialrichtung R verschieblich, sitzen. Driver elements 9 are seated in the transverse bore 8 and are designed according to the invention, for example as rolling bodies, namely as a ball 10 . A diameter D of the transverse bore 8 essentially corresponds to a diameter D of the ball 10, so that it can be moved in a radial direction R in the transverse bore 8 with no or almost no play.
Der Durchmesser D der Kugeln 10 und der Querbohrung 8 ist dabei derart gewählt, dass der doppelte Durchmesser D größer ist als ein Wellendurchmesser Dw, so dass Mitnehmerabschnitte 11 der Kugel 10 beidendig am Ende der Querbohrung 8 über die Wellenaußenfläche 6 überstehen. Die Nabenöffnung 4 besitzt korrespondierend zu den über die Wellenaußenfläche 6 überstehenden Mitnehmerabschnitten 11 der Kugeln 10 Axialnutausnehmungen 12, welche in Umfangsrichtung U durch schrägstehende Seitenwände 13 begrenzt werden. Die schrägstehenden Seitenwände 13 sind um einen Winkel a zu einer Radialrichtung R schräg gestellt. Die Größe des Winkels a zur Radialrichtung R ist dabei spitzwinklig und bevorzugt derart gewählt, dass eine Normale der Seitenwände 13 durch den Berührpunkt der Kugeln 10 und der Seitenwände 13 in ihrer Verlängerung eine Innenwand der Querbohrung 8 schneidet. The diameter D of the balls 10 and the transverse bore 8 is chosen such that twice the diameter D is larger than a shaft diameter Dw, so that driver sections 11 of the ball 10 project beyond the outer surface 6 of the shaft at both ends at the end of the transverse bore 8. The hub opening 4 has axial groove recesses 12 corresponding to the driver sections 11 of the balls 10 projecting beyond the outer surface 6 of the shaft, which are delimited in the circumferential direction U by inclined side walls 13 . The sloping side walls 13 are inclined at an angle α to a radial direction R. The size of the angle a to the radial direction R is acute and preferably chosen such that a normal of the side walls 13 through the contact point of the balls 10 and the side walls 13 intersects an inner wall of the transverse bore 8 in its extension.
Die Axialnutausnehmungen 12 sind in einfacher Art und Weise durch Räumen mittels eines geeigneten Räumwerkzeuges, z. B. einer Räumnadel, herstellbar. Die Nabeninnenfläche 5 ist in einfacher Art und Weise durch Innendrehen herstellbar. Die Querbohrung 8 der Welle 2 ist in einfacher Art und Weise durch Bohren herstellbar. Die Mitnehmerelemente 9 sind in besonders einfacher Art und Weise erfindungsgemäß als Kugeln 10 ausgebildet, die kostengünstig und in einer Vielzahl von Wunschdurchmessem vorgefertigt als Kaufteile/Normteile zur Verfügung stehen. The axial groove recesses 12 are easily broached using a suitable broaching tool, e.g. B. a broach, produced. The hub inner surface 5 can be produced in a simple manner by internal turning. The transverse bore 8 of the shaft 2 can be produced in a simple manner by drilling. the Driver elements 9 are designed in a particularly simple manner according to the invention as balls 10, which are available prefabricated as purchased parts/standard parts at low cost and in a large number of desired diameters.
Die Nabenöffhung 4 ist axial benachbart zur Nabeninnenfläche 5 erweitert ausgebildet und bildet innerhalb der Nabe 3 eine erweiterte Nabenöffnung 4a. Die erweiterte Nabenöffnung 4a bildet in einem axial an die Nabeninnenfläche 5 anschließenden Bereich zusammen mit der Wellenaußenfläche 6 einen Ringspalt 14. Der Ringspalt 14 ist zur Aufnahme eines Zentrierrings 15, bzw. eines Stützrings 15a, ausgebildet, deren Funktionen nachfolgend erläutert werden. The hub opening 4 is enlarged axially adjacent to the hub inner surface 5 and forms an enlarged hub opening 4 a within the hub 3 . The widened hub opening 4a forms an annular gap 14 in a region axially adjoining the hub inner surface 5 together with the shaft outer surface 6. The annular gap 14 is designed to accommodate a centering ring 15 or a support ring 15a, the functions of which are explained below.
Für den Fall, dass die Nabe 3 bezüglich der Welle 2 zentriert werden soll, d. h., dass möglichst die Mittelachse M und die Nabenachse N zusammenfallen, kann in einfacher Art und Weise in dem Ringspalt 14 der Zentrierring 15 eingesetzt werden, der eine radiale Position der Welle 2 gegenüber der Nabe 3 festlegt, sofern zwischen der Wellenaußenfläche 6 und der Nabeninnenfläche 5 ein Spalt, beispielsweise ein Spielspalt, vorhanden ist. In the event that the hub 3 is to be centered with respect to the shaft 2, ie. i.e. that the central axis M and the hub axis N coincide as far as possible, the centering ring 15 can be inserted in a simple manner in the annular gap 14, which defines a radial position of the shaft 2 in relation to the hub 3, provided that between the shaft outer surface 6 and the Hub inner surface 5 a gap, such as a clearance gap, is present.
Der Stützring 15a wirkt als Stützring, wenn er alternativ oder zusätzlich zur Wirkung als Zentrierring 15 eine axiale Abstützung der Welle 2 bezüglich der Nabe 3 bewerkstelligen kann. The support ring 15a acts as a support ring if it can provide axial support for the shaft 2 with respect to the hub 3 as an alternative or in addition to acting as a centering ring 15 .
Zu diesem Zweck macht es Sinn, den Stützring 15a radial außenseitig in der erweiterten Nabenöffnung 4a z. B. mittels einer Presspassung festzulegen und bezüglich der Wellenaußenfläche 6 mit einer Spielpassung zu versehen. In einem solchen Fall kann die Welle 2 in Axialrichtung A soweit verschoben werden, bis die überstehenden Mitnehmerabschnitte 11 der Kugeln 10 in Axialrichtung A an einer Innenkante 20 des Stützrings 15a anstehen. Mit dieser Vorgehensweise ist ein gewisses Axialspiel und hieraus folgend ein auffangbarer Winkelversatz vorbestimmbar einstellbar. Durch die Wahl der axialen Längserstreckung der Nabeninnenfläche 5 kann dieses Axialspiel der Welle 2 bezüglich der Nabe 3 vorbestimmt werden. Selbstverständlich kann der Stützring 15a auch mittels einer Presspassung auf der Welle 2 festgelegt werden und zur Nabe 3 eine radiale Spielpassung aufweisen. In diesem Fall liegt der Stützring 15a axial an einem Nabensteg 5a an. Ein zweiter Stützring kann gegebenenfalls auf der gegenüberliegenden Seite gegen den Nabensteg 5a in gleicher Weise gesetzt sein, so dass die Welle in Axialrichtung A bezüglich der Nabe 3 spielfrei oder bevorzugt mit Spiel festgelegt ist. For this purpose, it makes sense to place the support ring 15a radially on the outside in the enlarged hub opening 4a, e.g. B. by means of a press fit and to be provided with respect to the shaft outer surface 6 with a clearance fit. In such a case, the shaft 2 can be displaced in the axial direction A until the protruding driver sections 11 of the balls 10 in the axial direction A are in contact with an inner edge 20 of the support ring 15a. With this procedure, a certain axial play and, as a result, an angular offset that can be absorbed can be set in a predetermined manner. This axial play of the shaft 2 with respect to the hub 3 can be predetermined by the selection of the axial longitudinal extension of the hub inner surface 5 . Of course, the support ring 15a can also be fixed to the shaft 2 and to the hub 3 by means of a press fit have a radial clearance fit. In this case, the support ring 15a rests axially on a hub web 5a. A second support ring can optionally be placed on the opposite side against the hub web 5a in the same way, so that the shaft is fixed in the axial direction A with respect to the hub 3 without play or preferably with play.
Die Mitnehmerelemente 9, d. h. die Kugeln 10, sind durch ihre Mitnehmerabschnitte 11 in den Axialnutausnehmungen 12 aufgenommen und bilden somit in einer Umfangsrichtung U (Drehrichtung) einen drehformschlüssigen aber axial verschieblichen Verbund, mittels dem Drehmoment von der Welle 2 auf die Nabe 3 übertragbar ist. The driver elements 9, d. H. the balls 10 are accommodated by their driver sections 11 in the axial groove recesses 12 and thus form a rotationally positive but axially displaceable assembly in a circumferential direction U (direction of rotation), by means of which torque can be transmitted from the shaft 2 to the hub 3.
Tritt nunmehr aufgrund mechanischer Beanspruchung beispielsweise eine geringfügige Durchbiegung oder Verbiegung der Welle 2 auf, so können die Kugeln 10 in den Axialnuten um einen kleinen Betrag in Axialrichtung A wandern und einen Winkelversatz der Mittelachse M gegenüber der Nabenachse N ausgleichen, ohne dass der in Umfangsrichtung U vorhandene Drehformschluss aufgegeben ist. If, for example, the shaft 2 bends or deflects slightly due to mechanical stress, the balls 10 can move in the axial grooves by a small amount in the axial direction A and compensate for an angular offset of the central axis M in relation to the hub axis N, without the circumferential direction U existing rotational form closure is abandoned.
Zum Auffangen eines solchen Winkelversatzes ist es besonders zweckmäßig, im Falle des Vorsehens eines Zentrierrings 15, der ja sowohl auf der Wellenaußenfläche 6 als auch auf der Innenfläche der erweiterten Nabenöffhung 4a spielfrei anliegt, damit eine Zentrierfunktion erfüllt wird, elastisch zu gestalten, damit dieser den Winkelversatz der Welle 2 nicht unmittelbar auf die Nabe 3 überträgt. To compensate for such an angular misalignment, it is particularly expedient, if a centering ring 15 is provided, which rests without play on both the outer surface of the shaft 6 and on the inner surface of the enlarged hub opening 4a, so that a centering function is fulfilled, so that it is elastic in design so that it Angular offset of the shaft 2 is not directly transmitted to the hub 3.
In einer zweiten Ausführungsform gemäß Figur 4 ist in der Querbohrung 8 zusätzlich zu den beiden Mitnehmerelementen 9, die erfindungsgemäß als Kugeln 10 ausgebildet sind, ein Zwischenstück 16 vorgesehen, welches zwischen den Kugeln 10 angeordnet ist. Das Zwischenstück 16 ist in einer einfachst denkbaren Ausführungsform eine Scheibe, gegen die sich die Kugeln 10 abstützen. Durch das Vorsehen dieses Zwischenstücks 16 gelingt es bei gegebenen Durchmesser D der Kugeln 10 und der Querbohrung 8, einen größeren radialen Überstand der Mitnehmerabschnitte 11 zu erzeugen und somit ein günstigeres Kräfteverhältnis in den Kontaktpunkten zwischen den Kugeln 10 und den Seitenwänden 13 zu erzeugen. Mit einer derartigen Anordnung sind höhere Drehmomente übertragbar. In a second embodiment according to FIG. 4, an intermediate piece 16 which is arranged between the balls 10 is provided in the transverse bore 8 in addition to the two driver elements 9 which are designed as balls 10 according to the invention. In the simplest conceivable embodiment, the intermediate piece 16 is a disk against which the balls 10 are supported. The provision of this intermediate piece 16 makes it possible, with a given diameter D of the balls 10 and the transverse bore 8, to produce a larger radial overhang of the driver sections 11 and thus a more favorable balance of power in the contact points between the Balls 10 and the side walls 13 to generate. Higher torques can be transmitted with such an arrangement.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Zwischenstück 16 als Ring ausgebildet. Eine derartige Ausgestaltung hat den Vorteil, dass zwischen den Kugeln 10 und dem Zwischenstück 16 keine Punktberührung sondern eine Linienberührung (ringförmig) vorliegt, so dass Flächenpressungen zwischen den Kugeln 10 und dem Zwischenstück 16 gering gehalten werden können. In a further embodiment, the intermediate piece 16 is designed as a ring. Such a configuration has the advantage that there is no point contact between the balls 10 and the intermediate piece 16 but rather a line contact (ring-shaped), so that surface pressures between the balls 10 and the intermediate piece 16 can be kept low.
In einer weiteren besonderen Ausführungsform der Erfindung ist das Zwischenstück 16 aus einem elastischen Material, insbesondere als Druckfeder ausgebildet, welche hinsichtlich ihrer Dimensionierung und Materialwahl so gewählt ist, dass sie die Kugeln 10 in montiertem Zustand der Welle-Nabe-Verbindung 1 radial nach außen vorgespannt gegen die Seitenwände 13 drückt. Hierdurch kann eine spielfreie vorgespannte Anordnung der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung 1 erreicht werden, so dass ein besonders geräuscharmer Lauf gewährleistet ist. In a further special embodiment of the invention, the intermediate piece 16 is made of an elastic material, in particular as a compression spring, which is selected with regard to its dimensioning and choice of material such that it prestresses the balls 10 radially outwards when the shaft-hub connection 1 is in the assembled state against the side walls 13 presses. In this way, a play-free, prestressed arrangement of the shaft-hub connection 1 according to the invention can be achieved, so that particularly low-noise operation is ensured.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Querbohrung 8 an ihren offenen Enden nach dem Einsetzen der Mitnehmerelemente 9 (Kugeln 10) verstemmt oder anderweitig mechanisch verformt, so dass eine Durchmesserverengung der Querbohrung 8 stattfindet. Hierdurch sind die Mitnehmerelemente 9 unverlierbar gehalten. Dies erleichtert insbesondere die Montage der Welle 2 mit den Mitnehmerelementen 9 in der Nabe 3. In a preferred embodiment, the transverse bore 8 is caulked or otherwise mechanically deformed at its open ends after the driver elements 9 (balls 10) have been inserted, so that the diameter of the transverse bore 8 narrows. As a result, the driver elements 9 are held captive. This facilitates in particular the assembly of the shaft 2 with the driver elements 9 in the hub 3.
Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, die axiale Erstreckung der Nabeninnenfläche 5 größer zu wählen als den Durchmesser D der Mitnehmerelemente 9, d. h. der Kugel 10, insbesondere größer zu machen als den Durchmesser D des Mitnehmerelement 9, d. h. der Kugel 10 in einer Tangentialebene an die Wellenaußenfläche 6 und senkrecht zur Querbohrungsachse QA. Wenn dies der Fall ist, steht der Mitnehmerabschnitt 11, der in einer Radialrichtung R über die Wellenaußenfläche 6 übersteht, in Axialrichtung A auch über die Nabeninnenfläche 5 vor, so dass durch geeignetes Platzieren der Stützringe 15a bzw. der Zentrierringe 15 in Axialrichtung A ein Axialspiel und/oder ein maximal möglicher Winkelversatz gut einstellbar ist. Furthermore, it can be particularly advantageous to choose the axial extension of the hub inner surface 5 larger than the diameter D of the driver elements 9, ie the ball 10, in particular larger than the diameter D of the driver element 9, ie the ball 10 in a tangential plane to the Shaft outer surface 6 and perpendicular to the cross bore axis QA. If this is the case, the driver section 11, which protrudes in a radial direction R beyond the outer surface of the shaft 6, also projects beyond the inner surface of the hub 5 in the axial direction A, so that by suitably placing the support rings 15a or the centering rings 15 in Axial direction A an axial play and / or a maximum possible angular displacement is easily adjustable.
In dieser Ausführungsform gelingt es, eine axiale Beweglichkeit der Kugeln 10 in der Axialnutausnehmung 12 sicherzustellen, auch wenn beidseits des Nabensteges 5 a Stützringe 15a anliegen sollten. Es besteht ausreichend Freigang für die Kugeln im Falle eines Winkelversatzes der Mittelachse M gegenüber der Nabenachse N. In this embodiment, it is possible to ensure axial mobility of the balls 10 in the axial groove recess 12, even if support rings 15a should rest on both sides of the hub web 5a. There is sufficient clearance for the balls in the event of an angular offset of the central axis M in relation to the hub axis N.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung gemäß Figur 5a sind die Mitnehmerelemente 9 als zylindrische Stifte 30 ausgebildet, welche mit einem Zylinderabschnitt 31 in der Querbohrung 8 sitzen und einen balligen oder kugeligen Mitnehmerabschnitt 11 aufweisen. Bei dieser Ausführungsform der Mitnehmerelemente 9 ist wesentlich, dass der Mitnehmerabschnitt 11 der zylindrischen Stifte 30, der über die Wellenaußenfläche 6 übersteht, nicht zylindrisch ist, sondern eine ballige oder kugelförmige Raumform besitzt. Erfindungsgemäß soll gerade nicht eine Zylinderaußenfläche der zylindrischen Stifte 30 mit den Seitenwänden 13 der Axialnutausnehmung 12 in Kontakt gelangen. Die Ausgestaltung der Mitnehmerelemente 9 als zylindrische Stifte 30 ermöglicht es, auf das Zwischenstück 16 zu verzichten und trotzdem ein aneinander Anliegen von sich in Radialrichtung R in der Querbohrung 8 gegenüberliegenden Mitnehmerelementen 9 zu gewährleisten, ohne einen übermäßig großen Durchmesser der Querbohrung 8 wählen zu müssen. In a further embodiment of the invention according to FIG. 5a, the driver elements 9 are designed as cylindrical pins 30, which sit with a cylinder section 31 in the transverse bore 8 and have a crowned or spherical driver section 11. In this embodiment of the driver elements 9, it is essential that the driver section 11 of the cylindrical pins 30, which protrudes beyond the outer surface 6 of the shaft, is not cylindrical, but rather has a crowned or spherical three-dimensional shape. According to the invention, an outer cylinder surface of the cylindrical pins 30 should not come into contact with the side walls 13 of the axial groove recess 12 . The configuration of the driver elements 9 as cylindrical pins 30 makes it possible to dispense with the intermediate piece 16 and still ensure that driver elements 9 lying opposite one another in the radial direction R in the transverse bore 8 rest against one another, without having to select an excessively large diameter for the transverse bore 8.
In der Ausführungsform gemäß Figur 5a sind als Mitnehmerelemente 9 zwei zylindrische Stifte 30 mit balligem und/oder kugeligen Mitnehmerabschnitt 11 dargestellt. Selbstverständlich kann als Mitnehmerelement 9 auch ein einzelner zylindrischer Stift 30 vorgesehen sein, der beidendig im über die Wellenaußenfläche 6 überstehenden Bereich (= Mitnehmerabschnitt 11) kugelig oder ballig ausgeführt ist. Lediglich der Bereich, in dem der zylindrische Stift 30 vorliegt und innerhalb der Querbohrung 8 angeordnet ist, ist zylindrisch ausgebildet. Hierfür kann sich z. B. ein Passstift mit beidendig linsenförmigen Kuppen anbieten. Die Axialnutausnehmung 12 dieser Ausführungsform (Figur 5 a) entspricht hinsichtlich ihres Querschnitts der vorbeschriebenen Axialnutausnehmung 12, welche einen Nutboden 17 besitzt, der senkrecht zur Radialrichtung R ausgerichtet ist und gleichwinklig um den Winkel a zur Radialrichtung R geneigte Seitenwände 13 besitzt, so dass insgesamt eine in etwa trapezförmige Querschnittsraumform gebildet ist. Der Winkel a zwischen den Seitenwänden 13 und der Radialrichtung R kann für beide Seitenwände 13 gleich oder unterschiedlich sein, so dass unterschiedliche Berühmormalen zwischen den Seitenwänden 13 und dem balligen und/oder kugeligen Mitnehmerabschnitt 11 in den Berührpunkten vorliegen. In the embodiment according to FIG. 5a, two cylindrical pins 30 with a crowned and/or spherical driver section 11 are shown as driver elements 9. Of course, a single cylindrical pin 30 can also be provided as driver element 9, which is spherical or crowned at both ends in the area projecting beyond shaft outer surface 6 (= driver section 11). Only the area in which the cylindrical pin 30 is present and is arranged within the transverse bore 8 is cylindrical. For this z. B. offer a dowel pin with lens-shaped peaks at both ends. The axial groove recess 12 of this embodiment (Figure 5a) corresponds in terms of its cross section to the previously described axial groove recess 12, which has a groove base 17 which is aligned perpendicularly to the radial direction R and has side walls 13 inclined at an angle a to the radial direction R, so that overall a is formed in approximately trapezoidal cross-sectional space shape. The angle a between the side walls 13 and the radial direction R can be the same or different for both side walls 13, so that different contact patterns between the side walls 13 and the spherical and/or spherical driver section 11 are present at the contact points.
Diejenigen Seitenwände 13, an denen die Mitnehmerelemente 9 zur Drehmomentübertragung anliegen, sind ihrer Funktion nach somit als Mitnehmerflächen der Axialnutausnehmungen 12 zu verstehen, die mit den Mitnehmerabschnitten 11 der Mitnehmerelemente 9 bei einem drehenden Antrieb kraftübertragend Zusammenwirken. Those side walls 13 against which the driver elements 9 bear for torque transmission are to be understood as driver surfaces of the axial groove recesses 12 which cooperate with the driver sections 11 of the driver elements 9 in a force-transmitting manner during a rotating drive.
Die vorbeschriebene Ausgestaltung der Mitnehmerelemente 9 als ein Paar von zylindrischen Stiften 30 oder einem einzelnen zylindrischen Stift 30 kann ohne Weiteres auch bei einer Welle-Nabe-Verbindung 1 mit den nachfolgend beschriebenen unterschiedlichen Ausführungsformen der Axialnutausnehmungen 12 eingesetzt werden. The configuration of the driver elements 9 described above as a pair of cylindrical pins 30 or a single cylindrical pin 30 can also be used without further ado in a shaft-hub connection 1 with the different embodiments of the axial groove recesses 12 described below.
Die Ausführungsformen gemäß den Figuren 5b bis 5f betreffen unterschiedliche Ausgestaltungen der Axialnutausnehmungen 12. In den Figuren sind jeweils Axialnutausnehmungen 12 in deren unterschiedlicher Variante in einer Eingriffssituation im Bereich des zeichnerisch oben dargestellten Mitnehmerelements 9 dargestellt. Selbstverständlich sind auch entsprechende Axialnutausnehmungen 12 im Bereich der zeichnerisch unten dargestellten Mitnehmerelemente 9 vorhanden und verwirklicht. The embodiments according to FIGS. 5b to 5f relate to different configurations of the axial groove recesses 12. The figures each show different variants of the axial groove recesses 12 in an engagement situation in the area of the driver element 9 shown in the drawing above. Of course, corresponding axial groove recesses 12 are also present and implemented in the area of the driver elements 9 shown in the drawing below.
Anhand der Figuren 5b bis 5f werden asymmetrische Nutenformen der Axialnutausnehmungen 12 beschrieben werden, so dass zu deren technischem Verständnis es sinnvoll ist, eine Drehrichtung DR, d. h. eine Lastübertragungsrichtung, festzulegen. In den nachfolgenden Beschreibungen ist jeweils die Welle 2 der dargestellten Welle-Nabe-Verbindung 1 eine Antriebswelle, welche Drehmoment auf die Naben 3 überträgt. In den zeichnerisch dargestellten Ausführungsformen ist dabei die Drehrichtung DR der Welle 2 mit einem Pfeil gekennzeichnet. Aufgrund ihrer Asymmetrie eignen sich die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen der unterschiedlichen Axialnutausnehmungen 12 hauptsächlich für einen Betrieb mit lediglich einer Drehrichtung DR, wie dargestellt in den Figuren 5b bis 5f. Eine zur Drehrichtung DR entgegengesetzte Drehrichtung und die hieraus resultierenden Kräfte sind zwar mit den dargestellten Axialnutformen der Axialnutausnehmungen 12 übertragbar, jedoch eignen sich für einen solchen Lastfall (wechselnde Drehrichtungen) symmetrische Axialnutausnehmungen 12 in besonderem Maße. Asymmetric groove shapes of the axial groove recesses 12 will be described with reference to FIGS. 5b to 5f, so that for their technical understanding it makes sense to specify a direction of rotation DR, ie a direction of load transmission. In the following descriptions, the shaft 2 of the shaft-hub connection 1 shown is a drive shaft, which torque on the Hubs 3 transmits. In the embodiments shown in the drawing, the direction of rotation DR of the shaft 2 is marked with an arrow. Due to their asymmetry, the embodiments of the different axial groove recesses 12 described below are mainly suitable for operation with only one direction of rotation D R , as shown in FIGS. 5b to 5f. A direction of rotation opposite to the direction of rotation D R and the resulting forces can be transmitted with the illustrated axial groove shapes of the axial groove recesses 12, but symmetrical axial groove recesses 12 are particularly suitable for such a load case (changing directions of rotation).
In Figur 5b ist die Axialnutausnehmung 12 als im Querschnitt halbkreisförmige oder zumindest kreisabschnittsförmige Nut ausgebildet, deren Radius etwas größer ist als der Radius des balligen/kugeligen Abschnitts des Mitnehmerelements 9 bzw. der im dargestellten Ausführungsbeispiel vorhandenen Kugel 10. Hierdurch gelingt es, die Kugeloberfläche besonders anschmiegend in Kontakt zu bringen mit der Nutfläche der Axialnutausnehmung 12, was die Flächenpressungen entsprechend reduziert. In Figure 5b, the axial groove recess 12 is designed as a groove with a semicircular cross section or at least a circular segment, the radius of which is slightly larger than the radius of the convex/spherical section of the driver element 9 or of the ball 10 present in the exemplary embodiment shown to bring snugly into contact with the groove surface of the axial groove recess 12, which reduces the surface pressures accordingly.
Eine weitere Ausführungsform der Axialnutausnehmung 12 zeigt Figur 5c. In dieser Ausführungsform ist die Axialnutausnehmung 12 in Drehrichtung DR gesehen mit einer Schrägfläche 18 versehen, welche einen Winkel α besitzt, der größer ist als der Winkel a in der Ausführungsform gemäß Figur 5a. Im vorliegenden Beispiel beträgt dieser Winkel insbesondere etwa 45°. Der Nutboden 17 ist in dieser Ausführungsform senkrecht zur Radialrichtung R ausgerichtet. Eine zur Schrägfläche 18 gegenüberliegende Seitenwand 13 verläuft parallel zur Radialrichtung R. A further embodiment of the axial groove recess 12 is shown in FIG. 5c. In this embodiment, the axial groove recess 12 is provided with an inclined surface 18, seen in the direction of rotation DR, which has an angle α that is larger than the angle a in the embodiment according to FIG. 5a. In the present example, this angle is in particular approximately 45°. The groove base 17 is aligned perpendicularly to the radial direction R in this embodiment. A side wall 13 opposite the inclined surface 18 runs parallel to the radial direction R.
In der Ausführungsform dargestellt in Figur 5d ist die Axialnutausnehmung 12 im Querschnitt pultdachförmig mit einem zur Radialrichtung R schräggestellten Nutboden 17 ausgebildet. Die Seitenwände 13 verlaufen in dieser Ausführungsform parallel zur Radialrichtung R. In the embodiment represented in FIG. In this embodiment, the side walls 13 run parallel to the radial direction R.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt Figur 5e. Dort ist die Axialnutausnehmung 12 als im Querschnitt viertelkreisförmige Nut ausgebildet, welche eine Seitenwandung 13 besitzt, die senkrecht zur Radialrichtung R verläuft. Die Seitenwandung 13 dieser Ausführungsform ist mittels einer bogenförmigen, insbesondere viertelkreisbogenförmigen Bogenwandung 19 ausgebildet, deren Radius größer ist als der Radius des überstehenden Teils (Mitnehmerabschnitt 11) des Mitnehmerelements 9, so dass auch bei dieser Ausführungsform eine anschmiegende Anlage des Mitnehmerelements 9, insbesondere dessen balligen oder kugeligen überstehenden Bereichs erfolgt. A further exemplary embodiment is shown in FIG. 5e. There, the axial groove recess 12 is formed as a quarter-circular groove in cross-section, which has a side wall 13 has, which is perpendicular to the radial direction R. The side wall 13 of this embodiment is formed by means of an arcuate wall 19, in particular in the shape of a quarter of a circle, the radius of which is greater than the radius of the protruding part (carrier section 11) of the carrier element 9, so that in this embodiment too a snug contact of the carrier element 9, in particular its crowned part or spherical protruding area.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß Figur 5f ist die Axialnutausnehmung 12 mit einem Nutboden 17 ausgestattet, welcher senkrecht zur Radialrichtung R ausgebildet ist. Eine Seitenwandung 13 verläuft parallel zur Radialrichtung R. Der Nutboden 17 ist mittels einer Bogenwandung 19a zur Nabeninnenfläche 5 geführt. Ein Radius der Bogenwandung 19a ist dabei ebenfalls größer gewählt als der Radius des kugelförmigen Mitnehmerelements 9 oder des überstehenden Teilbereichs (Mitnehmerabschnitts 11) des Mitnehmerelements 9. In a further embodiment according to FIG. A side wall 13 runs parallel to the radial direction R. The groove bottom 17 is guided to the inner surface 5 of the hub by means of a curved wall 19a. A radius of the arcuate wall 19a is also chosen to be larger than the radius of the spherical driver element 9 or the protruding portion (driver section 11) of the driver element 9.
Mit der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung 1 gelingt es mit besonders einfachen Mitteln (Ausgestaltung der Mitnehmerelemente 9 z. B. als Kugeln 10) und besonders einfachen Herstellverfahren (Bohren, Drehen, Innendrehen und Räumen, gegebenenfalls Sintern), eine Welle-Nabe-Verbindung 1 zu kreieren, die einerseits eine gute, formschlüssige, insbesondere spielfreie Drehmomentübertragung ermöglicht und andererseits einen Winkelversatz zwischen der Wellenmittelachse M und der Nabenachse N ausgleichen kann, der in einem Bereich von wenigen Grad, insbesondere in einem Bereich zwischen 0° und 3°, besonders bevorzugt zwischen 0° und 1° liegt. With the shaft-hub connection 1 according to the invention, it is possible with particularly simple means (configuration of the driver elements 9, e.g. as balls 10) and particularly simple manufacturing processes (drilling, turning, internal turning and broaching, possibly sintering), to To create connection 1, which on the one hand allows a good, form-fitting, in particular backlash-free torque transmission and on the other hand can compensate for an angular offset between the shaft center axis M and the hub axis N, which is in a range of a few degrees, in particular in a range between 0 ° and 3 °, more preferably between 0° and 1°.
Eine solche Welle-Nabe-Verbindung 1 ist insbesondere für den Einsatz in einer Fluidpumpe (nicht gezeigt), beispielsweise zwischen einer Welle 2, die als Pumpenwelle 2a ausgebildet ist, und einer Nabe 3, die beispielsweis als Pumpenrotor 3 a ausgebildet ist, geeignet. Such a shaft-hub connection 1 is particularly suitable for use in a fluid pump (not shown), for example between a shaft 2, which is designed as a pump shaft 2a, and a hub 3, which is designed as a pump rotor 3a, for example.
Figur 6 zeigt eine solche erfindungsgemäße Fluidpumpe 100 im Längsschnitt, welche eine erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung 1 aufweist. Eine derartige Fluidpumpe 100 besitzt ein Antriebsgehäuse 101, in dem ein Antriebsmotor 102 angeordnet ist. Der Antriebsmotor 102 besitzt eine Antriebswelle 103, welche mittels Wälzlagern 104 um die Mittelachse M rotierbar ist. Weiterhin besitzt die Fluidpumpe 100 ein Pumpengehäuse 105, in welchem ein Pumpenelement 106 um die Mittelachse M rotierbar angeordnet ist. Das Pumpenelement 106 ist mit einem Wellenzapfen 107 über die erfindungsgemäße Welle-Nabe-Verbindung 1 drehfest verbunden. Der Wellenzapfen 107 entspricht somit der in der vorangehenden Beschreibung beschriebenen Welle 2 der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung 1. FIG. 6 shows such a fluid pump 100 according to the invention in a longitudinal section, which has a shaft-hub connection 1 according to the invention. Such a fluid pump 100 has a drive housing 101 in which a drive motor 102 is arranged. The drive motor 102 has a drive shaft 103 which can be rotated about the central axis M by means of roller bearings 104 . Furthermore, the fluid pump 100 has a pump housing 105 in which a pump element 106 is arranged so as to be rotatable about the center axis M. The pump element 106 is non-rotatably connected to a shaft journal 107 via the shaft-hub connection 1 according to the invention. The shaft journal 107 thus corresponds to the shaft 2 described in the preceding description of the shaft-hub connection 1 according to the invention.
Das Pumpenelement 106 entspricht dem vorbeschriebenen Pumpenrotor 3 a. Das Pumpenelement 106 besitzt die erweiterte Nabenöffhung 4a, die der Wellenzapfen 107 durchgreift. Des Weiteren ist die Nabenöffhung 4 vorhanden, die ebenfalls von dem Wellenzapfen 107 durchgriffen ist. The pump element 106 corresponds to the pump rotor 3a described above. The pump element 106 has the widened hub opening 4a, through which the shaft journal 107 passes. Furthermore, the hub opening 4 is present, through which the shaft journal 107 also passes.
Der Wellenzapfen 107 weist die Querbohrung 8 auf, in der die Mitnehmerelemente 9 sitzen. Die Mitnehmerelemente 9 sitzen mit ihrem über die Wellenaußenfläche 6 herausragenden Bereich in den Axialnutausnehmungen 12. The shaft journal 107 has the transverse bore 8 in which the driver elements 9 are seated. The area of the driver elements 9 that protrudes beyond the outer surface of the shaft 6 is seated in the axial groove recesses 12.
In der Ausführungsform gemäß Figur 6 ist zwischen den Mitnehmerelementen 9, die in dieser Ausführungsform als Kugeln 10 ausgebildet sind, als Zwischenstück 16 ein elastisches Element, z. B. eine Druckfeder, eingesetzt. In the embodiment according to FIG. 6, an elastic element, e.g. B. a compression spring used.
Mit der erfindungsgemäßen Welle-Nabe-Verbindung 1 im Anwendungsfall einer Fluidpumpe 100 gelingt es insbesondere, einen Winkelversatz zwischen der Mittelachse M der Welle 2/ Antriebswelle 103/des Wellenzapfens 107 und einer Nabenachse N des Pumpenelements 106/der Nabe 3 auszugleichen. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass das Pumpenelement 106 bzw. der Pumpenrotor 3 a relativ spielfrei im Antriebsgehäuse 101 bzw. relativ zum Pumpengehäuse 105 geführt werden kann und somit Pumpenspaltverluste minimiert werden können. Die erfindungsgemäße Welle- Nabe-Verbindung 1 ist besonders einfach und kostengünstig herstellbar sowie einfach montierbar. BezugszeichenlisteWith the shaft-hub connection 1 according to the invention in the application of a fluid pump 100, it is possible in particular to compensate for an angular offset between the central axis M of the shaft 2/drive shaft 103/the shaft journal 107 and a hub axis N of the pump element 106/the hub 3. In this way, it can be advantageously achieved that the pump element 106 or the pump rotor 3a can be guided in the drive housing 101 or relative to the pump housing 105 with relatively little play, and pump gap losses can thus be minimized. The shaft-hub connection 1 according to the invention is particularly simple and inexpensive to produce and easy to assemble. Reference List
1 Welle-Nabe-Verbindung 1 shaft-hub connection
2 Welle 2 wave
2a Pumpenwelle 2a pump shaft
3 Nabe 3 hub
3a Pumpenrotor 3a pump rotor
4 Nabenöffhung 4 hub opening
4a erweiterte Nabenöffhung 4a enlarged hub opening
5 Nabeninnenfläche 5 hub inner surface
5a Nabensteg 5a hub bridge
6 Wellenaußenfläche 6 shaft outer surface
7 Teilbereich 7 section
8 Querbohrung 8 cross hole
9 Mitnehmerelemente 9 driver elements
10 Kugeln 10 bullets
11 Mitnehmerabschnitt 11 flight section
12 Axialnutausnehmung 12 axial groove recess
13 Seitenwände 13 side walls
14 Ringspalt 14 annular gap
15 Zentrierring 15 centering ring
15a Stützring 15a support ring
16 Zwischenstück 16 intermediate piece
17 Nutboden 17 groove bottom
18 Schrägfläche 18 bevel
19; 19a Bogenwandung 19; 19a arch wall
20 Innenkante 20 inside edge
30 zylindrische Stifte 30 cylindrical pins
31 Zylinderabschnitt 31 cylinder section
100 Fluidpumpe 100 fluid pump
101 Antriebsgehäuse 101 drive housing
102 Antriebsmotor 102 drive motor
103 Antriebswelle 103 drive shaft
104 Wälzlager 104 rolling bearings
105 Pumpengehäuse 105 pump housing
106 Pumpenelement 106 pump element
107 W ellenzapfen 107 Shaft journal
D Durchmesser D diameter
DR Drehrichtung D R direction of rotation
Dw Wellendurchmesser D w shaft diameter
M Mittelachse M central axis
N Nabenachse N hub axle
QA Querbohrungsachse QA cross hole axis
A Axialrichtung A axial direction
R Radialrichtung R radial direction
U Umfangsrichtung α Winkel U circumferential direction α angle

Claims

Ansprüche Expectations
1. Welle-Nabe-Verbindung fur einen Pumpenrotor (3a) auf einer Pumpenwelle (2a) aufweisend: eine Welle (2) mit einer Wellenaußenfläche (6) und einer Mittelachse (M); eine Nabe (3) mit einer eine Nabeninnenfläche (5) aufweisenden Nabenöffnung (4) zur Aufnahme wenigstens eines Teilbereichs (7) der Welle (2), wobei die Nabenöffnung (4) eine Nabenachse (N) besitzt; wobei die Welle (2) wenigstens eine Querbohrung (8) zur Aufnahme wenigstens eines Mitnehmerelements (9) aufweist und die Nabeninnenfläche (5) korrespondierend zu der mindestens einen Querbohrung (8) je mindestens eine Axialnutausnehmung (12) besitzt und, wobei in der mindestens einen Querbohrung (8) mindestens ein Mitnehmerelement (9) aufgenommen ist, welches die Wellenaußenfläche (6) wenigstens teilbereichsweise radial nach außen überragt und der überragende Teilbereich (7) des Mitnehmerelements (9) in der Axialnut sitzt und der überragende Teilbereich (7) des Mitnehmerelements (9) eine ballige oder kugelige Oberfläche besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Summe der Einzeldurchmesser der Mitnehmerelemente (9) größer ist als der Wellendurchmesser (Dw) im Axialbereich der Querbohrung (8). Claims 1. Shaft-hub connection for a pump rotor (3a) on a pump shaft (2a), comprising: a shaft (2) with a shaft outer surface (6) and a central axis (M); a hub (3) having a hub opening (4) having a hub inner surface (5) for receiving at least a portion (7) of the shaft (2), the hub opening (4) having a hub axis (N); wherein the shaft (2) has at least one transverse bore (8) for receiving at least one driver element (9) and the hub inner surface (5) has at least one axial groove recess (12) corresponding to the at least one transverse bore (8) and, wherein in the at least at least one driver element (9) is accommodated in a transverse bore (8), which protrudes radially outwards at least in some areas of the shaft outer surface (6) and the protruding partial area (7) of the driver element (9) sits in the axial groove and the protruding partial area (7) of the Driver element (9) has a crowned or spherical surface, characterized in that the sum of the individual diameters of the driver elements (9) is greater than the shaft diameter (Dw) in the axial area of the transverse bore (8).
2. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Mitnehmerelement (9) als Kugel (10) ausgebildet ist. 2. Shaft-hub connection according to claim 1, characterized in that the at least one driver element (9) is designed as a ball (10).
3. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Querbohrung (8) eine Durchgangsquerbohrung oder eine Sacklochquerbohrung ist. 3. Shaft-hub connection according to claim 1 or 2, characterized in that the transverse bore (8) is a through transverse bore or a blind transverse bore.
4. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querbohrungsachse (QA) recht- oder schiefwinklig zur Mittelachse (M) ausgerichtet ist. 4. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that a transverse bore axis (QA) is aligned at right angles or at an oblique angle to the central axis (M).
5. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Querbohrung (8) eine Mehrzahl sich mittelbar oder unmittelbar berührender Mitnehmerelemente (9) sitzt. 5. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that in the transverse bore (8) sits a plurality of directly or indirectly touching driver elements (9).
6. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabeninnenfläche (5) mit Ausnahme der Axialnut eine zylindrische oder teilzylindrische, d. h. zylinderschalenformige Fläche ist. 6. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that the hub inner surface (5) with the exception of the axial groove is a cylindrical or part-cylindrical, d. H. cylindrical shell-shaped surface.
7. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Mitnehmerelementen (9) ein Zwischenstück (16) eingesetzt ist. 7. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that an intermediate piece (16) is inserted between two adjacent driver elements (9).
8. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (16) elastisch vorgespannt ist, um die Mitnehmerelemente (9) radial nach außen vorzuspannen. 8. Shaft-hub connection according to claim 7, characterized in that the intermediate piece (16) is elastically prestressed in order to prestress the driver elements (9) radially outwards.
9. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Seitenwände (13) der Axialnut gegenüber einer Radialrichtung (R) um einen Winkel a geneigt ausgebildet sind. 9. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that side walls (13) of the axial groove are designed to be inclined by an angle a with respect to a radial direction (R).
10. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (3) axial benachbart zur Nabeninnenfläche (5) radial erweitert ausgebildet ist und mit der Wellenaußenfläche (6) einen Ringspalt (14) bildet. 10. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that the hub (3) is radially expanded axially adjacent to the hub inner surface (5) and forms an annular gap (14) with the shaft outer surface (6).
11. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (2) axial benachbart zur Querbohrung (8) radial verkleinert ausgebildet ist und mit einer Nabeninnenfläche (5) einen Ringspalt (14) bildet. 11. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that the shaft (2) axially adjacent to the transverse bore (8) is formed radially reduced and forms an annular gap (14) with a hub inner surface (5).
12. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Ringspalt (14) zur Zentrierung der Nabe (3) gegenüber der Welle (2) ein Zentrierring (15) sitzt. 12. Shaft-hub connection according to claim 11, characterized in that a centering ring (15) sits in the annular gap (14) for centering the hub (3) relative to the shaft (2).
13. Welle-Nabe-Verbindung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stützring (15a) zur Begrenzung der axialen Verschiebbarkeit der Welle (2) relativ zur Nabe (3) im Ringspalt (14) sitzt. 13. Shaft-hub connection according to claim 11 or 12, characterized in that a support ring (15a) for limiting the axial displaceability of the shaft (2) relative to the hub (3) is seated in the annular gap (14).
14. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich einer radialen Außenkante der Querbohrung (8) die Querbohrung (8) auf einen gegenüber dem Durchmesser (D) des Mitnehmerelements (8) kleineren Durchmesser (D) radial nach innen verformt ist. 14. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that in the region of a radial outer edge of the transverse bore (8), the transverse bore (8) is reduced to a diameter (D) that is smaller than the diameter (D) of the driver element (8). is deformed radially inward.
15. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung der Nabeninnenfläche (5) größer ist als der Durchmesser (D) des Mitnehmerelements (9). 15. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that the axial extension of the hub inner surface (5) is greater than the diameter (D) of the driver element (9).
16. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung der Nabeninnenfläche (5)größer als der Durchmesser (D) des Mitnehmerelements (9) in einer Tangentialebene an die Wellenaußenfläche (6) und senkrecht zur Querbohrungsachse (QA) ist. 16. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that the axial extension of the hub inner surface (5) is greater than the diameter (D) of the driver element (9) in a tangential plane to the shaft outer surface (6) and perpendicular to the transverse bore axis (QA) is.
17. Welle-Nabe-Verbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mitnehmerfläche der Axialnutausnehmung (12) im Querschnitt gekrümmt ist. 17. Shaft-hub connection according to one of the preceding claims, characterized in that a driver surface of the axial groove recess (12) is curved in cross section.
18. Welle-Nabe-Verbindung Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmerfläche der Axialnutausnehmung (12) an die ballige oder kugelige Oberfläche des überragenden Teilbereichs (7) des Mitnehmerelements (9) gleichsinnig anschmiegend gekrümmt ist. 18. Shaft-hub connection according to claim 17, characterized in that the driver surface of the axial groove recess (12) is curved in the same direction so as to nestle against the convex or spherical surface of the projecting portion (7) of the driver element (9).
19. Fluidpumpe mit einer Antriebswelle (103) und einem Pumpenrotor (3a), wobei wenigstens eine Welle-Nabe-Verbindung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen ist. 19. Fluid pump with a drive shaft (103) and a pump rotor (3a), wherein at least one shaft-hub connection (1) is provided according to one of the preceding claims.
20. Fluidpumpe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass zur Welle-Nabe-20. Fluid pump according to claim 19, characterized in that the shaft-hub
Verbindung (1) zwischen der Antriebswelle (103) und dem Pumpenrotor (3a) die Welle-Nabe-Verbindung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18 vorgesehen ist. Connection (1) between the drive shaft (103) and the pump rotor (3a), the shaft-hub connection (1) according to one of claims 1 to 18 is provided.
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