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Die
Erfindung betrifft ein Spannelement zum kraftschlüssigen
drehfesten Verspannen mit einem Wellenabschnitt, das zwei Halbschalen
aufweist, die unter Einschluss des Wellenabschnitts gegeneinander
und gegen den Wellenabschnitt verspannbar sind.
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Ein
derartiges Spannelement ist aus der
DE 100 59 917 A1 bekannt und dient dazu,
Messwertaufnehmer für Drehmomentmessungen an den Wellenabschnitt
anzukoppeln. Bei dem bekannten Spannelement weist jede Halbschale
eine zylindrische Aufnahme auf, deren Form ein Negativ für
das Positiv eines zylindrischen Wellenabschnitts darstellt. Bei
der Montage werden die beiden Halbschalen an den Wellenabschnitt
angelegt und mit zwei Schraubverbindungen unter Einschluss des Wellenabschnitts gegeneinander
und gegen den Wellenabschnitt verspannt. Dabei sind Spannrichtungen
der Schraubverbindungen parallel zueinander und parallel zu Tangenten
des Wellenabschnitts ausgerichtet.
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Es
hat sich gezeigt, dass ein solches Spannelement, das nach der
DE 100 59 917 A1 für
Drehmoment- und Biegemomentmessungen an Wellen eingesetzt werden
soll, Schwächen bei der schlupffreien Übertragung
von Drehmomenten aufweist, wie sie an Antriebswellen von leistungsstarken
Personenkraftfahrzeugen auftreten. Werte solcher Drehmomente liegen
in Abhängigkeit von dem Drehmoment des Antriebsmotors des
Kraftfahrzeugs, der in seinem Triebstrang eingestellten Übersetzung
und in Abhängigkeit von im Fahrbetrieb auftretenden dynamischen
Einflüssen zwischen 100 Nm und 5000 Nm. Eine schlupffreie Übertragung
ist insbesondere für Drehmomentmessungen wichtig.
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Vor
diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe
eines Spannelements der eingangs genannten Art, das bei vergleichbaren Abmessungen
eine verbesserte Schlupffreiheit zeigt und damit eine schlupffreie Übertragung
von Drehmomenten in der genannten Größenordnung
mit Abmessungen ermöglicht, die eine Montage und Demontage
des Spannelements an Antriebswellen von Kraftfahrzeugen ohne eine
aufwendige Demontage der Antriebswellen erlauben.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die Verwendung zweier Ringe wird eine kraftschlüssige
Welle-Nabe-Verbindung hergestellt, die sich durch eine vergleichsweise homogene
Verteilung der zwischen Innenring und Wellenabschnitt wirkenden
Anpresskraft auszeichnet.
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Die
Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die aus der
DE 100 59 917 A1 bekannte
Geometrie zu einer inhomogenen Flächenpressung führt, die
für eine Maximierung der Drehmomentübertragung
nachteilig ist. Die inhomogene Flächenpressung ergibt sich
als Folge der tangentialen Ausrichtung der aus dem Anziehen der
Schraubverbindungen resultierenden Spannkräfte in Verbindung
mit den beiden Halbschalen. Die Flächenpressung ist dort
maximal, wo die Flächennormale der Kontaktfläche
zwischen Spannelement und Wellenabschnitt parallel zu den Schraubverbindungen
steht. Dagegen ist sie dort minimal, wo die Flächennormale
orthogonal zu den Schraubverbindungen steht.
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Der
Aufbau des erfindungsgemäßen Spannelements aus
einem zwei erste Halbschalen aufweisenden Innenring und einem den
Innenring umgreifenden und mittels Spannmitteln mit dem Innenring verspannbaren
sowie diesen gegen den Wellenabschnitt verspannenden, zwei zweite
Halbschalen aufweisenden Außenring verteilt dagegen zunächst
auf den Außenring einwirkende Spannkräfte homogener auf
den Innenring, so dass die Flächenpressung zwischen dem
Innenring und dem Wellenabschnitt insgesamt gleichmäßiger
wird als beim Stand der Technik.
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Dieser
Vorteil kann noch dadurch verstärkt werden, dass die Halbschalen
des Außenrings in ihrer Winkellage verdreht gegenüber
den Innenschalen des Innenrings angeordnet werden. Bei einer solchen
Anordnung treten die Minima der Flächenpressung zwischen
Außenring und Innenring bei einer anderen Winkelposition
als die Minima der Flächenpressung zwischen Innenring und
Wellenabschnitt auf.
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Die
sich aus der bekannten Halbschalenbauweise ergebenden Vorteile bleiben
bei sämtlichen hier vorgestellten Ausgestaltungen der Erfindung
erhalten. Das neue Spannelement lässt sich insbesondere
kraftschlüssig und drehfest mit einem Wellenabschnitt verspannen,
dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser benachbarter
Wellenabschnitte. Dadurch lässt sich das neue Spannelement
zum Beispiel auch mit Abschnitten von Antriebswellen verspannen,
die in Kraftfahrzeugen montiert sind. Wellenabschnitte solcher Antriebswellen
liegen in der Regel zwischen Flanschen und/oder zwischen Gelenkkörben
homokinetischer Gelenke, die einen wesentlich größeren
Durchmesser besitzen als der Wellenabschnitt.
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Die
Halbschalenbauweise erlaubt auch in diesen Fällen eine
schnelle Montage des Spannelements auf einer eingebauten Welle.
Ein Ausbau der Welle oder von Teilen der Welle ist nicht mehr notwendig.
Darüber hinaus lässt sich das erfindungsgemäße
Spannelement, sofern es im Zuge des weiteren Betriebs des Wellenabschnitts
keine weitere Verwendung findet, ohne Weiteres wieder vom zylindrischen
Wellenabschnitt entfernen.
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Eine
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Spannelements
sieht vor, dass der Innenring eine konisch geformte Außenfläche
und der Außenring eine zu der genannten Außenfläche
passende, konisch geformte Innenfläche aufweist.
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Dadurch
wird gewährleistet, dass der Außenring mit dem
Innenring durch eine Konuspresspassung verspannbar ist. Dabei wirkt
die konisch geformte Innenfläche des Außenrings
keilartig mit der konisch geformten Außenfläche
des Innenrings zusammen. Als Folge ergibt sich ein besonders hoher Kraftschluss
der beiden Ringe miteinander, was für die schlupffreie Übertragung
hoher Drehmomentwerte äußerst vorteilhaft ist.
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Zur
Montage werden die zwei Innenringschalen auf der Antriebswelle aufgesetzt.
Ihre konischen Außenflächen weisen dann nach außen.
Die konischen Außenringhalbschalen werden dann auf den
Innenring gesetzt und mittels einer Schraubverbindung auf den Innenring
gezogen. Durch die konische Anlage wird eine optimale kraftschlüssige
Verbindung zwischen Spannelement und der Antriebswelle erreicht.
Durch die konische Ausgestaltung der Flächen zwischen Innenring
und Außenring baut sich eine Klemmung zwischen dem Innenring
und der Welle auf. Diese Presspassung ist dabei proportional zum
Weg, mit welchem der Außenring auf den Innenring gespannt
wird. Durch das gegenseitige Verspannen von Außenring und
Innenring verringert sich zugleich der Innendurchmesser des Innenrings
sowie der Innendurchmesser des Außenrings, wodurch der Kraftschluss
mit dem zylindrischen Wellenabschnitt hergestellt wird.
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Die
Konusverbindung hat den besonderen Vorteil, dass die axiale Spannkraft
an der Konusfläche eine radial nach innen wirkende Flächenpressungskomponente
erzeugt. Da dies für jeden Punkt der Kontaktflächen
von Innenring und Außenring gilt, ergibt sich eine sehr
gleichmäßige Flächenpressung zwischen
Außenring und Innenring, die sich in einer ebenfalls sehr
gleichmäßigen Flächenpressung zwischen
Innenring und Wellenabschnitt abbildet. Dadurch können
insbesondere die eingangs genannten hohen Drehmomentwerte ausreichend
schlupffrei übertragen werden. Weiter ist von Vorteil,
dass durch die radial einwärts gerichteten Kräfte
Rundungsfehler der Welle ausgeglichen werden.
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Die
beiden ersten Halbschalen weisen bevorzugt eine an die Form des
Wellenabschnitts angepasste Innenfläche auf. Beide erste
Halbschalen können sich im kraftschlüssig drehfest
verspannten Zustand zu einem annähernd vollständigen
Ring ergänzen. Bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel,
bei dem die beiden ersten Halbschalen jeweils aus einem Ringsegment
zwischen 160° und 180°, bevorzugt 165° bis
179°, besonders bevorzugt 170° bis 178°,
gebildet sind. Die zwei ersten Halbschalen zeichnen sich in einer
Ausgestaltung durch einen identischen Aufbau aus. Bei einer weiteren
Ausgestaltung weichen die zwei ersten Halbschalen in ihrem Aufbau
voneinander ab, sind aber so ausgestaltet, dass sie sich funktional
ergänzen. Dieses gilt in gleicher Weise für die
zweiten Halbschalen des Außenrings.
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Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung schließen die konisch geformte
Außenfläche des Innenrings und die konisch geformte
Innenfläche des Außenrings einen Winkel α von
bis zu 17° mit der Längsachse oder der Mantelfläche
des Wellenabschnitts ein. Bei einem Winkel α, der größer
als 17° ist, besteht die Gefahr einer unerwünschten
Selbsthemmung zwischen Innenring und Außenring durch Passungsrosten.
Dabei wird hier unter dem Passungsrosten eine plastische Verformung
der Halbschalen verstanden, bei der sich die Halbschalen eines Ringes
in die Halbschalen des anderen Ringes einarbeiten.
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Bevorzugt
wird ein Spannelement, bei dem die konisch geformte Außenfläche
und die konisch geformte Innenfläche mit einer Mantelfläche
eines mit dem Spannelement verspannten zylindrischen Wellenabschnitts
einen Winkel von 0,5° bis 17°, bevorzugt einen
Winkel von 1° bis 10°, insbesondere bevorzugt
einen Winkel von 3° bis 6°, einschließen.
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Über
die Wahl des Winkels der konischen Flächen ist die Kraft,
die beim drehfesten Verspannen auf die einzelnen Bauteile wirkt,
einstellbar. Die Länge des Konus ist so gewählt,
dass sich die Verbindung selbstständig zentrieren kann
und die Gefahr eines Verkantens zwischen Außenring und
Innenring gering ist.
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Bei
einer Ausgestaltung des Spannelements ist vorgesehen, dass das Spannmittel
durch mindestens eine erste Schraubverbindung gebildet ist. Bei der
Ausgestaltung des Spannelementes mit den konischen Flächen
ist die Schraubverbindung bevorzugt parallel zu einer Längsachse
des Wellenabschnitts, beziehungsweise senkrecht oder nahezu senkrecht
zu der durch die Halbschalen gebildeten Ringfläche ausgerichtet.
Dadurch wird der Außenring beim Anziehen der Schraubverbindung
auf den Innenring gezogen, wodurch die Spannwirkung mittels der
konisch geformten Flächen erzielt wird. Die Schraubverbindung
kann aber auch senkrecht zur Achse angeordnet sein und beispielsweise
durch eine Schraube-Mutter-Verbindung der Kraftschluss zwischen
Außenring und Innenring hergestellt werden.
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Eine
Weiterbildung des Spannelements sieht vor, dass der Innenring einen
in radialer Richtung über seine konische Außenfläche
hervorstehenden Kragenbereich aufweist. Dabei steht der Kragenbereich
mindestens so weit vor, dass er den Außenring zumindest
teilweise abdeckt. In einer bevorzugten Ausgestaltung überragt
der Kragenbereich des Innenrings den Außenring in radialer
Richtung.
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Dadurch
wird zwischen dem Innenring und dem Außenring ein Anschlag
gebildet, was eine Begrenzung des maximalen Kraftschluss erlaubt
und damit einer Zerstörung des Spannelements oder einer
Verformung der Welle vorbeugt. Ein weiterer Vorteil besteht darin,
dass durch den radial nach Außen vorstehenden Kragenbereich
eine Möglichkeit bereitgestellt wird, Messmittel oder Haltemittel
an dem Spannelement anzubringen. Ein erfindungsgemäßes Spannelement
findet beispielsweise Verwendung für Drehmomentmessungen
von Antriebswellen. Ein Messadapter wird durch das Spannelement
kraftschlüssig mit der Antriebswelle verbunden, so dass sich
ein Verdrehen der Welle auf den Messadapter überträgt
und beispielsweise mittels Messstreifen im Messadapter gemessen
werden kann. Darüber hinaus kann neben dem Messelement
auch ein Gelenkwellenüberträger zum Abgreifen
der Daten auf der Antriebswelle angebracht werden.
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Bei
einer Weiterbildung des letztgenannten Ausführungsbeispiels
ist an dem Kragenbereich mindestens eine Aufnahme ausgebildet. Die
Aufnahme wird in einer konkreten Ausgestaltung durch sich parallel
zur Achse erstreckende Durchgangsbohrungen oder durch sich radial
erstreckende Schlitze gebildet.
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Darüber
hinaus wird eine Ausgestaltung des Spannelements bevorzugt, bei
der der Außenring Haltemittel aufweist, die die zweiten
Halbschalen zumindest in radialer Richtung relativ zueinander fixieren.
Durch die radiale Fixierung der beiden Halbschalen des Außenrings
wird erreicht, dass diese beim axialen Verspannen der Konusflächen
nicht radial ausweichen können. Dadurch wird eine gleichmäßige
Kraftübertragung erzielt, was zu einer, über den Umfang
gesehen, homogenen Kraftverteilung in der Spannverbindung führt.
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Schließlich
sieht eine Weiterbildung letztgenannten Gedankens vor, dass die
Haltemittel durch mindestens eine zweite Schraubverbindung gebildet sind.
Durch die Schraubverbindung ist der Außenring bei einer
späteren Demontage ohne Weiteres abnehmbar.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
den beigefügten Patentansprüchen und der zeichnerischen
Darstellung sowie der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Seitenansicht eines Spannelements im kraftschlüssig drehfest
mit einem zylindrischen Wellenabschnitt verspannten Zustand;
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2 eine
perspektivische Darstellung einer ersten Halbschale eines Innenrings
und einer zweiten Halbschale eines Außenrings eines Spannelements;
und
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3 eine
perspektivische Darstellung eines Spannelements im zusammengebauten
Zustand.
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Im
Einzelnen zeigt die 1 ein Spannelement 2 zum
kraftschlüssigen drehfesten Verspannen mit einem eine Längsachse 4 aufweisenden
zylindrischen Wellenabschnitt 6. Die Längsachse 4 ist
parallel zur Mantelfläche des Wellenabschnitts 6.
Das Spannelement 2 weist dabei einen Innenring 8 und einen
den Innenring 8 umgreifenden und mittels Spannmitteln 10 mit
dem Innenring 8 verspannbaren sowie diesen gegen den Wellenabschnitt 6 verspannenden
Außenring 12 auf. Die Spannmittel 10 sind
in der Darstellung der 1 durch erste Schrauben 24 realisiert.
Eine oder mehrere zweite Schrauben 30 dienen zur Verbindung
der äußeren Halbschalen 12 miteinander.
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2 zeigt
eine erste Halbschale 14 des Innenrings 8 zusammen
mit einer zweiten Halbschale 16 des Außenrings 12.
Die zweite Halbschale 16 des Außenrings 12 weist
dabei zur Achse 4 (in 2 nicht
dargestellt) senkrechte Bohrungen 18 und 20 auf.
Die Bohrung 18 ist dabei als Durchgangsbohrung ausgebildet.
Die Bohrung 20 ist als Gewindebohrung ausgebildet. Darüber
hinaus weist die zweite Halbschale 16 Gewindebohrungen 22 auf,
die sich parallel zur Achse 4 erstrecken.
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Wie
aus 1 ersichtlich ist, greifen als erste Schrauben 24 realisierte
Spannmittel 10 in die Gewindebohrung 22 ein. Beim
Anziehen der ersten Schrauben 24 wird der Außenring 12 parallel
zur Achse 4 auf den Innenring 8 gezogen.
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Des
Weiteren zeigt 2, dass der Innenring 8 eine
konische Außenfläche 26 aufweist. Zusammen
mit der konischen Innenfläche 28 des Außenrings 12 wird
dadurch eine Keilwirkung beim Betätigen der Spannmittel 10 erreicht.
Die Betätigung der Spannmittel 10 erfolgt in der
Ausgestaltung der 1 und 2 durch
Anziehen der ersten Schrauben 24. Im Ergebnis wird dadurch
der Außenring 12 auf den Innenring 8 gezogen.
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Die
konische Innenfläche 28 und die konische Außenfläche 26 sind
dabei bezüglich der Achse 4 um einen Konuswinkel α =
4° geneigt. Bei anderen Ausgestaltungen kann der Konuswinkel α auch
andere Werte besitzen; er ist jedoch bevorzugt kleiner als 17°.
Dadurch wird der Gefahr des Passungsrostens entgegengewirkt. Die
Länge der Konusflächen 26, 28 ist
dabei so gewählt, dass sich Außenring 12 und
Innenring 8 selbstständig zentrieren können.
Dies ist insbesondere für Konuslängen der Fall,
die größer als der Radius des Wellenabschnitts
sind. Durch eine solche Länge wird darüber hinaus
die Gefahr eines Verkantens zwischen Außenring 12 und
Innenring 8 reduziert.
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Darüber
hinaus zeigt 2, dass der Innenring 8 einen
in radialer Richtung über seine konische Außenfläche 26 hervorstehenden
Kragenbereich 40 besitzt. Der Kragenbereich 40 weist
als Durchgangsbohrung 32 realisierte Aufnahmen 34 auf.
Die Durchgangsbohrungen 32 können dabei unterschiedliche Bohrungsdurchmesser
aufweisen.
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3 zeigt
das Spannelement 2 im zusammengebauten Zustand. Der Außenring 12 wird
dabei in radialer Richtung durch wenigstens eine zweite Schraube 30 zusammengehalten,
die durch Durchgangsbohrungen 18 einer ersten Halbschale 14 gesteckt
ist, und in eine Gewindebohrung der komplementären ersten
Halbschale 14 des Außenrings 12 eingeschraubt
ist. Die beiden zweiten Halbschalen 16 des Innenrings 8 ergänzen
sich dabei nicht ganz zu einem vollständigen 360°-Ring.
Zwischen beiden zweiten Halbschalen 16 des Außenrings 12 sind Spalte 36 ersichtlich,
welche beim Verspannen des Außenrings 12 mit dem
Innenring 8 reduziert werden, so dass sich der Abstand
der Halbschalen 16 des Außenrings 12 verringert.
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Unter
erneutem Bezug auf die 1 wird im Folgenden die Montage
und Wirkungsweise des Spannelements 2 beschrieben. Die
beiden zweiten Halbschalen 16 des Außenrings 12 werden
zunächst an den zylindrischen Wellenabschnitt 6 angelegt
und durch die zweiten Schrauben 30 miteinander verbunden.
Dann werden die ersten Halbschalen 14 des Innenrings 8 um
den Wellenabschnitt 6 gelegt. Durch ein Verschieben entlang
der Achse 4 wird der Außenring 12 auf
die beiden ersten Halbschalen 14 des Innenrings 8 aufgeschoben.
Die ersten Schrauben 24 werden durch Bohrungen im Bereich
des Innenrings 6 in die Gewindebohrung 22 des
Außenrings 12 eingesetzt. Durch Anziehen der ersten
Schrauben 24 wird der Außenring 12 auf
den Innenring 8 gezogen. Als Folge verringert sich ein
Innendurchmesser 38 des Innenrings 8, so dass
die Spalten 36 kleiner werden. Dadurch kommt es zu einem
kraftschlüssigen und drehfesten Verspannen des Spannelements 2 mit
dem zylindrischen Wellenabschnitt 6. Zum Lösen der
Verbindung werden die ersten Schrauben 24 gelöst
und der Außenring 12 vom Innenring 8 geklopft. Anschließend
werden die beiden Verbindungsschrauben des Außenrings 12 gelöst
und die Halbschalenbauteile können von der Welle abgenommen werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10059917
A1 [0002, 0003, 0006]