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Die
Erfindung betrifft eine Extruderschnecke bestehend aus einer Schneckenwelle
mit mehreren auf dieser lösbar
aufsteckbaren oder aufgesteckten Schneckenelementen, wobei die Schneckenwelle eine
Außenverzahnung
und die Schneckenelemente eine in diese eingreifende Innenverzahnung
aufweisen, gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Derartige
auch als Steckschnecken bezeichnete Extruderschnecken sind bekannt
und ermöglichen
einen variablen Aufbau einer Extruderschnecke, in dem je nach Anforderung
unterschiedliche Schneckenelemente, seien es Förder-, Knet- oder Mischelemente,
in verschiedene Reihung auf der Schneckenwelle angeordnet werden
können.
Um einerseits das Aufstecken, andererseits den im Betrieb erforderlichen
Drehmomentübertrag
von der Schneckenwelle, in die über
den Extrudermotor das Drehmoment eingeleitet wird, auf die Schneckenelemente zu
ermöglichen,
ist eine Welle-Nabe-Verzahnung zwischen der Schneckenwelle und den
Schneckenelementen vorgesehen, das heißt, die Schneckenwelle weist
eine Außenverzahnung
auf, während
die als Nabe fungierenden Schneckenelemente an der Innenseite ihrer
Bohrung eine Innenverzahnung aufweisen, wobei beide Verzahnungen
miteinander kämmen.
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Üblicherweise
kommen bei Extruderschnecken Welle-Naben-Verbindungen gemäß den Normen
DIN 5480, DIN 5464 oder ISO 4156 in Form einer Evolventenverzahnung
zum Einsatz. Diese formschlüssige,
symmetrische Verzahnung ermöglicht
einen beachtlichen Drehmomentübertrag
bei gleichzeitiger einfacher Montier- und Demontierbarkeit der Schneckenelemente.
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Bei
Extrudern besteht generell die Forderung nach möglichst hoher Leistungsfähigkeit,
die sich primär
im erzielbaren Durchsatz widerspiegelt. Dabei stellen im Rahmen
der Maschinenauslegung das verfügbare
Drehmoment, also das Drehmoment, das effektiv über die Schneckenwelle auf
die Schneckenelemente übertragen
werden kann, die Schneckendrehzahl und damit die Antriebsleistung
sowie das zur Verfügung
stehende freie Schneckenvolumen die entscheidenden Ausle gungskriterien
dar. Grundsätzlich
ist ein hohes zur Verfügung
stehendes Drehmoment von Vorteil, denn dies lässt zum einen ein höheren Füllgrad zu,
weiterhin werden geringere mittlere Schergeschwindigkeiten und niedrigere
Produkttemperaturen erreicht. Die Verweilzeit des Produkts im Extruder
ist verkürzt,
die Produktbelastung insgesamt geringer als bei vergleichbaren Verfahrensschritten
mit niedrigerem Drehmoment. Insgesamt erlaubt ein höheres Drehmoment
eine höhere
Schnecken-Drehzahl und damit auch einen höheren Durchsatz.
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Einer
Erhöhung
des Drehmoments sind jedoch primär
durch die Werkstoffkennwerte der Schneckenwelle und der Schneckenelemente
und die durch die Ausführung
der Verzahnung bestimmte Gestaltfestigkeit der Elemente Grenzen
gesetzt, hierüber
wird das maximal übertragbare
Drehmoment letztlich bestimmt. Zwar lassen sich durch bestimmte materialspezifische
Nachbehandlungen noch geringe Drehmomentsteigerungen erzielen, diese
sind jedoch marginal und in der Regel mit hohen Kosten verbunden.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Erhöhung
des Durchsatzes ist die Vergrößerung des
zur Verfügung stehenden
Volumens, das in der Regel als Volumigkeit in Form des Verhältnisses
des Schneckenaußendurchmessers
Da zum Schneckeninnendurchmesser Di angegeben ist. Übliche Volumigkeiten beispielsweise
bei gleichsinnig drehenden Doppelschneckenextrudern liegen im Bereich
zwischen 1,4- maximal 1,6. Eine Vergrößerung des Volumens durch eine Vertiefung
der Schneckengänge
bei gleichbleibendem Achsabstand bietet zwar einen verbesserten Einzug
und eine geringere Scherung, auch werden geringere Materialtemperaturen
aufgrund eines geringeren Energieeintrags erreicht, so dass sich
letztlich durchsatzerhöhend
höhere
Schneckendrehzahlen fahren lassen. Nachteilig hierbei ist aber,
dass mit zunehmender Volumigkeit bei gleichem Achsabstand die Schneckenwelle
immer dünner
wird, oder die Wandung des Schneckenelements sehr dünn wird. Bei
großen
Volumigkeiten, die Werte > 1,6
annehmen, führen
diese geometriebedingten Umstände dazu,
dass hohe Drehmomente nicht mehr übertragen werden können, da
die bei der Drehmomentübertragung
von der Schneckenwelle auf die Schneckenelemente übertragenen
Kräfte
zu lokalen unzu lässig
hohen Spannungen und letztlich zu einer Beschädigung der Welle-Nabe-Verbindung führen.
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Eine
die Merkmale des Oberbegriffs aufweisende Extruderschnecke ist aus
JP 2004044660 A bekannt.
Dort ist der Druckwinkel der das Drehmoment übertragenden Zahnflanke kleiner
als der Druckwinkel der gegenüberliegenden
Zahnflanke, die das Drehmoment übertragende
Zahnflanke steht damit unter einem kleineren Winkel zur Normalen
auf die Drehachse als die gegenüberliegende
Zahnflanke. Die das Drehmoment übertragende
Zahnflanke der Innen- und der Außenverzahnung weist jeweils eine
Evolventenform auf. Zwar kann hiermit eine gewisse Erhöhung des übertragbaren
Drehmoments erreicht werden, gleichwohl ergeben sich aus der dargestellten
Verzahnungsgeometrie nach wie vor hohe Spreiz- bzw. Radialkräfte, die
den Einsatz begrenzen.
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Der
Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Extruderschnecke
anzugeben, die demgegenüber
verbessert ist und generell eine Übertragung sehr hoher Drehmomente,
nicht zuletzt insbesondere bei großvolumigen Schnecken zulässt.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist bei einer Extruderschnecke der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der kleinere Winkel zwischen 0° und 5° und der größere Winkel zwischen 45° und 15° beträgt.
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Die
Erfindung schlägt
den Einsatz einer asymmetrischen Verzahnung mit einer speziellen Flankengeometrie
vor. Mit dieser asymmetrischen Verzahnung lässt sich eine eklatante Drehmomentsteigerung
bei unterschiedlichen Anwendungsfällen der Extruder erzielen.
Der Erfindung liegt die Überlegung
zugrunde, dass Extruderschnecken eine ausgezeichnete Vorzugsdrehrichtung
besitzen, das heißt,
im Extruderbetrieb, wenn also Material gefördert und verarbeitet werden
soll, drehen sie ausschließlich
in eine Richtung. Bezogen auf diese Drehrichtung weisen nun bei
dem erfindungsgemäßen Zahnprofil
diejenigen Zahnflanken der Außen- und der Innenverzahnung,
die einander angreifen und über
die das Drehmoment von der Wellenaußenverzahnung zur Nabeninnenverzahnung übertragen wird, einen
relativ kleinen Winkel zur Normalen auf die Drehachse auf. Demgegenüber verläuft die
gegenüberliegende
Zahnflanke, die an der Momentenübertragung
nicht teilnimmt, unter einem deutlich größeren Winkel bezüglich der
Achsnormalen. Aufgrund dieser Asymmetrie zeigt das erfindungsgemäße Zahnprofil
einen wesentlich breiteren Zahnfuß im Vergleich zu der ausschließlich symmetrischen
Keilwellenverzahnung. Dieser breitere Zahnfuß ermöglicht eine deutlich höhere Momentenübertragung,
der Einfluss etwaiger am Zahnfuß auftretender
Spannungen, vornehmlich Kerbspannungen, ist dadurch wesentlich geringer.
Aufgrund der gewählten
Steilheit der drehmomentübertragenden,
aneinander angreifenden Zahnflanken, also der vorlaufenden Außenverzahnungsflanke
und der nachlaufenden Innenverzahnungsflanke, reduziert sich auch
die in der Nabe eingeleitete Radialspannungskomponente eklatant, vielmehr
liegen im Wesentlichen oder ausschließlich Tangentialspannungen
vor, wobei dieser Spannungsanteil mit zunehmender Flankensteilheit
zunimmt. Hierdurch werden über
die Lastflanken die in die Nabe eingetragenen Spreizkräfte deutlich
verringert, was den Einsatz von normalspannungsempfindlichen Werkstoffen
wie beispielsweise durchgehärteten
verschleißfesten
Schneckenelementen begünstigt
und auch das Beanspruchungsverhalten bei Naben ohne rotationssymmetrische
Außenkontur
(speziell mit abschnittsweise sehr geringen Wandstärken) sehr
günstig
beeinflusst. Das heißt,
die sich bei der Momentenübertragung
einstellenden Spannungsverhältnisse
werden durch die erfindungsgemäß verwendete
asymmetrische Zahnform deutlich verbessert.
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Ein
weiterer besonderer Vorteil der asymmetrischen Zahnform liegt darin,
dass die Zähnezahl
im Vergleich zu einer üblichen
Evolventenverzahnung deutlich erhöht werden kann, wodurch eine
höhere Tragfähigkeit
erreicht wird und mithin ein höheres Drehmoment übertragen
werden kann. Waren bei üblichen
Evolventenverzahnungen bisher z.B. 24 Zähne aufgrund des gewählten Moduls
vorgesehen, so können
jetzt durch entsprechende Modulwahl z.B. 36 Zähne bei deutlich höherer Momentenübertragung
vorgesehen werden.
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Die
erfindungsgemäß vorgesehene
Asymmetrie der Welle-Nabe-Verbindung lässt damit eine deutliche Steigerung
des von der Schneckenwelle auf die einzelnen Elemente übertragbaren
Drehmoments im Vergleich zur im Stand der Technik ausschließlich verwendeten
symmetrischen Verzahnung, in der Regel in Form der Evolventenverzahnung,
zu. Diese Drehmomentsteigerung lässt
sich dabei bei Schnecken beliebiger Volumigkeit erzielen, da aufgrund
der last- und spannungsoptimierten Profilauslegung die Beanspruchung
im Verbindungsbereich den tatsächlichen
Gegebenheiten entsprechend optimiert ist. Auch bei Schnecken mit
großer Volumigkeit,
also mit einem Da/Di-Verhältnis > 1,6, bei denen sich
das übertragbare
Drehmoment limitierende Geometrien aufgrund verringerter Kern- oder Wandstärken, resultierend
aus der großen
Gangtiefe, ergeben, lassen sich eklatante Drehmomentsteigerungen
erzielen und bis dato nicht übertragbare Drehmomente
auch bei Volumigkeiten von beispielsweise 1,65 oder 1,7 erzielen.
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Der
kleinere Winkel an den drehmomentübertragenden Zahnflanken liegt
zwischen 0° und
5°, das
heißt,
er läuft
im Falle einer 0°-Lastflanke
radial zur Drehachse, maximal nimmt er einen sehr kleinen Winkel
von allerhöchstens
5° ein.
Der größere Winkel sollte
zwischen 45° und
15° betragen.
Zur weiteren Optimierung sollte der kleinere Winkel zwischen 0° und 2° und der
größere Winkel
zwischen 25° und
35° betragen.
Eine konkrete, besonders vorteilhafte Flankengeometrie sieht vor,
dass der kleinere Winkel 0° und
der größere Winkel
30° beträgt, das
heißt,
die jeweiligen Lastflanken stehen senkrecht zur Drehachse, die gegenüberliegenden
Flanken nehmen zu dieser einen Winkel von 30° ein. Der Eingriffswinkel der Rückflanke
in dem angegebenen Basisintervall von 45°–15° und insbesondere von ca. 30° ermöglicht mit besonderem
Vorteil auch ein Rückwärtsdrehen
der Schnecken, wie dies in dem seltenen Sonderfall zum Freifahren
einer festgefahrenen Schnecke mitunter erforderlich ist. Die 30°-Flanke ermöglicht hierbei
annähernd
die gleiche Drehmomentübertragung
wie bei einer üblichen
DIN 5480-Evolventenverzahnung,
die aufgrund ihrer Symmetrie generell eine gleichmäßige Übertragungsfähigkeit
in beiden Drehrichtungen ermöglicht,
und bei denen in der Regel auch 30°-Flanken beidseits vorgesehen
sind. An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass selbstverständlich jedweder
in den angegebenen maximalen Intervallen enthaltene Zwischenwinkel
hiermit als erfindungswesentlich offenbart gilt, auch wenn der jeweilige
Winkelwert nicht explizit erwähnt
ist.
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Im
Hinblick auf eine optimale Momentenübertragung wie auch insbesondere
zur Minimierung der Spreizkräfte
bzw. der Radialkräfte,
die bei einer 0°-Lastflanke
annähernd
Null sind, sieht eine vorteilhafte Erfindungsausgestaltung vor,
die einander gegenüberliegenden
Flankenabschnitte, gleich ob Lastflanke oder Rückflanke, ebenflächig auszugestalten. Hierbei
ist unter dem Begriff "ebenflächig" sowohl eine ebene
wie auch eine minimal ballige Fläche
zu verstehen, sofern dies im einen oder anderen Fall zweckmäßig ist.
Dies gilt auch betreffend die Form der Zahnköpfe der Außen- und der Innenverzahnung,
die ebenfalls im Wesentlichen ebenflächig sein können.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
am Zahnkopf der Innenverzahnung und/oder der Außenverzahnung eine derart geformte
und/oder positionierte Ausnehmung vorgesehen ist, dass an der gegebenenfalls
jeweiligen lasttragenden Zahnflanke ein Zahnsteg verbleibt. Der
Zahnkopf der Innen- und/oder Außenverzahnungen
ist dabei oberflächlich über wenigstens eine
Ausnehmung derart oberflächlich
profiliert, dass an der jeweils drehmomentübertragenden Flanke eine Überhöhung oder
ein Zahnsteg verbleibt, der in die darin anschließende Ausnehmung
abfällt,
bevorzugt über
eine im Hinblick auf etwaige Kerbspannungen vorteilhafte Ausrundung.
Hierdurch werden Effekte in Form von Kantenpressungsüberhöhungen im Bereich
der aneinander angreifenden lastübertragenden
Flanken minimiert. Nachdem der verbleibende Zahnsteg oder die Überhöhung etwas
plastisch fließen
kann, kann ein Abbau dort entstehender Kräfte oder Druckspannungen erreicht
werden. Das heißt, durch
die entsprechende Profilierung wird dort ein bezogen auf den üblichen
Zahnquerschnitt gesehen etwas weicherer, plastifizierbarer Bereich
geschaffen, der dem Spannungsabbau dient. Diese Profilierung am
Zahnkopf kann vorzugsweise an der Innenverzahnung der Schneckenelemente
vorgesehen sein, da bei der Drehmomentübertragung die höchsten Druckspannungen
im Bereich der momentübertragenden
Zahnflanke an der freiliegenden Ecke zum Zahnkopf hin entstehen.
Zur Optimierung der Spannungsverhältnisse können diese Spannungsspitzen aufgrund
der erfindungsgemäß vorgesehenen
Profilierung vorteilhaft abgebaut werden. Dabei sollte sich die
Ausnehmung zweckmäßigerweise
von der unter dem größeren Winkel
stehenden Zahnflanke ausgehend im Wesentlichen innenflächig in
Richtung der anderen Zahnflanke erstrecken. Es wird also eine Art Plateau
am Zahnkopf gebildet, das in den demgegenüber höheren Zahnsteg übergeht.
Dieses gebildete Plateau wie auch generell ein im Wesentlichen ebenflächiger Zahnkopf
vollzieht natürlich
den Außen-
oder Innenradius am Ort des jeweiligen Elements nach, kann also
mithin radiusabhängig
leicht gebogen sein.
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Ein
zentrales, die Momentenübertragung
im Stand der Technik bei den symmetrischen Profilen limitierendes
Problem bilden weiterhin die durch die in der Regel sehr scharten
Fußausrundungen
am Zahngrund entstehenden hohen Kerbwirkun gen bzw. Kerbspannungen
und die daraus resultierende extreme Belastungsüberhöhung. Eine volle Fußausrundung
ist zwar in ISO 4156 vorgesehen, aber wegen der deutlichen Reduzierung
des Wellenkernquerschnitts bzw. Elementwandquerschnitts nachteilig. Die
ISO 4156 und vergleichbare Normen sehen dabei einen konstanten Ausrundungsradius
vor. In jedem Fall ist auch hierdurch die Steigerung der übertragbaren
Drehmomente im Stand der Technik begrenzt.
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Demgegenüber sieht
die Erfindung vor, den Zahngrund der Außen- und der Innenverzahnung vollständig mit
einer optimierten Radienvariation auszurunden. Dies ist bei dem
erfindungsgemäßen asymmetrischen
Zahnprofil aufgrund der Stellung der Flanken ohne weiteres möglich. Denn
der Wellenkernquerschnitt wie auch der Elementenkernquerschnitt
wird trotz voller Ausrundung nur unwesentlich verringert, da der
Fuß aufgrund
der Asymmetrie relativ breit ist und die variierenden Ausrundungsradien keine
oder nur eine minimale Reduzierung der Restquerschnitte hervorrufen.
Hier spielt auch der Umstand, dass die Zähnezahl deutlich erhöht werden kann,
mithin also der Zahnabstand reduziert werden kann, eine besondere
Rolle. Der Radius im Zahngrund der Außenverzahnung kann dabei zwischen 0,35
m und 0,45 m, insbesondere 0,4 m, und der Radius am Zahngrund der
Innenverzahnung zwischen 0,3 m und 0,4 m, insbesondere bei 0,35
m, betragen. Selbstverständlich
richtet sich der jeweils gewählte Radius
nach dem Wellen- bzw.
Nabendurchmesser sowie dem gewählten
Modul.
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Der
Modul der Außen-
und Innenverzahnung sollte weiterhin derart gewählt sein, dass zumindest die
Zähne der
Außenverzahnung
zumindest im Zahnkopfbereich biegeelastisch sind. Eine leichte Biegeelastizität zumindest
im oberen Zahnbereich ist dahingehend vorteilhaft, dass sich der
Zahn besser an das Gegenstück
anpassen kann. Aufgrund der Asymmetrie nimmt die Zahnbreite zum
Kopf hin ab, wodurch bei entsprechend hohem Modul eine naturgemäß geringe
Biegeelastizität
zur Förderung
eines abweichungstoleranten Verhaltens im Zahnkopfbereich, gegebenenfalls
unter Ausnutzung einer teilplastischen Verformung auch im Zahnfußbereich,
erzielt werden kann. Der von Haus aus aufgrund der Asymmetrie höher wählbare Modul
bietet in Verbindung mit der Biegeelastizität eine noch höhere Tragkraft
zur weitergehenden Erhöhung
des übertragbaren
Drehmoments sowie zur Optimierung des Formschlusses zwischen den
Verzahnungen.
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Eine
weitere Verbesserung kann erzielt werden, wenn die Verzahnung der
erfindungsgemäßen Extruderschnecke
eine Durchmesserzentrierung über
die Stegköpfe
aufweist. Die Durchmesserzentrierung kann eingesetzt werden, wenn
besondere Anforderungen an die Rundlauftoleranzen gestellt werden.
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Schließlich kann
vorgesehen sein, dass die Schneckenwelle zumindest im Außenverzahnungsbereich
aus einem plastifizierbaren Material besteht, während die Schneckenelemente
zumindest im Bereich der Innenverzahnung demgegenüber härter sind.
Dies ermöglicht
eine gewisse plastische Anpassung der Außenverzahnung an ihr Gegenüber und damit
eine Verbesserung des Formschlusses und der Übertragungseigenschaften der
Welle-Nabe-Verbindung.
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Neben
der Extruderschnecke selbst betrifft die Erfindung ferner einen
Extruder, umfassend eine oder mehrere Extruderschnecken der vorbeschriebenen
Art. Es kann sich dabei um einen Einschneckenextruder oder aber
um einen gleich- oder gegensinnig laufenden Doppelschneckenextruder
oder um einen Mehrwellenextruder handeln. Die mit der erfindungsgemäßen Extruderschnecke
erzielbaren Vorteile sind bei den unterschiedlichen Extrudertypen gleichermaßen realisierbar.
Insbesondere können unter
Verwendung der erfindungsgemäßen Extruderschnecken
Hochleistungsextruder mit sehr hoher Volumigkeit > 1,6, also beispielsweise
von 1,65–1,7
realisiert werden, die die Übertragung
sehr hoher Drehmomente bzw. die Realisierung hoher spezifischer Drehmomentdichten
Md/a3 (Md = Drehmoment, a = Achsabstand) sowie hohe
Drehzahlen zulassen, nachdem die Welle-Nabe-Verbindung im Hinblick auf die
Momentenübertragung
sowie die entstehenden Druck- und Kerbspannungen optimiert ist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines Extruders,
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2 eine
Prinzipdarstellung als Explosionsansicht einer Steckextruderschnecke,
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3 eine
Schnittansicht durch zwei in ihrer Einbauposition zueinander dargestellte
erfindungsgemäße Extruderschnecken,
die im Betrieb gleichsinnig drehen und miteinander kämmen,
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4 eine
vergrößerte Darstellung
der Außenverzahnung
der Schneckenwelle,
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5 eine
vergrößerte Darstellung
der Innenverzahnung eines Schneckenelements, und
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6 eine
Darstellung der beiden miteinander kämmenden Verzahnungen.
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1 zeigt
einen Extruder 1 mit einem Motor 2 mit nachgeschaltetem
Getriebe 3 und einem Extrusionszylinder 4, bestehend
aus mehreren Zylinderabschnitten 5, in dessen Innerem im
gezeigten Beispiel zwei Extruderschnecken in entsprechenden Bohrungen
aufgenommen sind, die über
das Getriebe 3, mit dem sie über eine nicht näher gezeigte,
jedoch hinlänglich
bekannte Kopplung gekoppelt sind, angetrieben werden. Es handelt
sich beispielsweise um einen gleichsinnig drehenden Extruder. Der
Extrusionszylinder 4 ist zusammen mit sämtlichen benötigten Kühlmittel-,
Strom- und Steuerleitungen, die in einem entsprechenden Einbaukasten 6 verlegt
sind, auf einem Träger 7,
der wiederum auf einer Wange 8 des Maschinenrahmens 9 abgestützt ist,
aufgebaut. In einem Versorgungs- und Steuerschrank 10 befinden sich
die Kühlmittel-
und Versorgungseinrichtungen sowie Steuerungseinrichtungen, über die
die Versorgung der einzelnen Komponenten erfolgt. Der Aufbau eines
solchen Extruders ist hinlänglich
bekannt.
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Wie
beschrieben sind im Inneren des Extrusionszylinders bestehend aus
den mehreren miteinander lösbar
verbundenen Zylinderabschnitten 5 zwei Extru derschnecken
angeordnet. Bei den in Rede stehenden Extruderschnecken handelt
es sich um sogenannte Steckschnecken, die speziell im Hinblick auf
das zu bearbeitende Material bzw. herzustellende Produkt aufgebaut
bzw. konfiguriert werden können.
Sie sind dem Extrusionszylinder 4 bei Bedarf entnehmbar.
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2 zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung eine Extruderschnecke 11,
bestehend aus einer Welle 12, die an ihrem hinteren breiteren
Ende zum einen eine erste Außenverzahnung 13 aufweist, über die sie
mit dem Getriebe 3 antriebsmäßig verkoppelbar ist. An einen
Anschlagbund 14 schließt
sich ein Wellenabschnitt 15 mit einer Außenverzahnung 16 an. Auf
diesen Wellenabschnitt 15 sind abhängig vom zu verarbeitenden
Material bzw. herzustellenden Produkt verschiedene separate Schneckenelemente aufsteck-
oder auffädelbar
und am Anschlagbund 14 gegenlagerbar. 2 zeigt
exemplarisch drei Schneckenelemente 16a, 16b und 16c.
Bei dem Schneckenelement 16a kann es sich beispielsweise
um ein Förderelement
handeln, das eine Schnecke 17 aufweist, wobei im Schneckengang
das Material gefördert
wird. Beim Schneckenelement 16b kann es sich beispielsweise
um ein Mischelement handeln, das ebenfalls eine Schnecke 18 aufweist,
die jedoch Durchbrechungen 19 aufweist. Schließlich kann
es sich bei dem Schneckenelement 16c um ein Knetelement
handeln, das entsprechende Knetabschnitte 20 besitzt. Über ein
solches Knetelement werden die zu verarbeitenden Materialien unter
hohem Energieeintrag bearbeitet und beispielsweise plastifiziert
oder aufgeschmolzen, je nach Anwendung.
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Zum
Aufstecken auf den Wellenabschnitt 15 weist jedes Schneckenelement 16a, 16b, 16c eine zentrale
Bohrung 21a, 21b, 21c auf, an deren Innenseite,
also der Nabe, jeweils eine Innenverzahnung 22a, 22b, 22c vorgesehen
ist, mit welcher sie auf die Außenverzahnung 16 des
Wellenabschnitts 15 aufgesteckt wird, so dass die Innenverzahnung
und die Außenverzahnung
miteinander kämmen.
Es handelt sich dabei um eine formschlüssige Welle-Nabe-Verbindung,
die nachfolgend im Detail beschrieben wird.
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3 zeigt
zwei erfindungsgemäße Extruderschnecken 23a, 23b,
die parallel nebeneinander dargestellt sind, so wie sie auch im
Extrusionszylinder 4 bezüglich einander positioniert
sind. Die Schneckenwellen 24a, 24b sind um den
Achsabstand a voneinander beabstandet. Dargestellt ist ferner der Schneckenaußendurchmesser
Da sowie der Schneckeninnendurchmesser Di am Schneckengrund. Aus dem Verhältnis Da/Di ergibt sich
die Volumigkeit der Schnecke bzw. des Extruders, wobei die Volumigkeit eine
Kenngröße eines
Extruders ist.
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Gezeigt
ist ferner die Außenverzahnung 25a und 25b der
jeweiligen Wellen 24a und 24b sowie die Innenverzahnungen 26a und 26b an
der Nabe der jeweiligen Schneckenelemente 27a und 27b.
Aus 3 ist ersichtlich, dass es sich jeweils um asymmetrische
Verzahnungsprofile handelt, die speziell bezogen auf eine bestimmte
Vorzugsdrehrichtung der Extruderschnecken 23a, 23b,
die mit den beiden mit R gekennzeichneten Pfeilen darstellt ist,
ausgelegt sind. Einzelheiten der erfindungsgemäßen Verzahnungsgeometrie ergeben
sich aus den 4 und 5.
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4 zeigt
in Form einer vergrößerten Detailansicht
einen Ausschnitt aus der Außenverzahnung 25a der
Schneckenwelle 24a, wobei die gleichen Ausführungen
natürlich
bezüglich
der Verzahnung der Welle 24b gelten. Gezeigt sind in einer
Detailansicht die Zähne 28.
Jeder Zahn 28 besitzt bezogen auf die Vorzugsdrehrichtung
R eine vorlaufende Zahnflanke 29, die mit einer entsprechenden
Zahnflanke der Innenverzahnung am Schneckenelement zusammenwirkt
bzw. an dieser angreift. Gegenüberliegend
befindet sich die nachlaufende Rückflanke 30 eines
Zahns 28, die bei Bewegung in der Vorzugsdrehrichtung R
in der Regel einen minimalen Abstand (Flankenspiel) von der entsprechend
gegenüberliegenden
Zahnflanke der Innenverzahnung im Bereich weniger hundertstel Millimeter
besitzt.
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Das
erfindungsgemäße asymmetrische Zahnprofil
zeichnet sich nun dadurch aus, dass die vorlaufende drehmoment-
oder lastübertragende Zahnflanke 29,
die zumindest in ihrem oberen zum freien Zahnkopf liegenden Bereich
ebenflächig
ausgeführt
ist, unter einem Winkel von 0° bezogen
auf die Normale N auf die Drehachse A der Schneckenwelle steht.
Das heißt,
die Zahnflanke 29 verläuft
im lastübertragenden,
an der gegenüberliegenden
Flanke angreifenden Bereich radial zur Drehachse A.
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Demgegenüber nimmt
die nachlaufende Zahnflanke 30 einen Winkel α von 30° zur Normalen N
auf die Drehachse A ein. Auch diese Zahnflanke 30 ist bis
zum Übergang
in den Zahngrund ebenflächig. Ersichtlich
bildet sich aufgrund dieser Anordnung ein sehr breiter Zahnfuß Z aus,
nachdem zum Zahngrund 31 hin die Zahnflanken auseinanderlaufen.
Der Zahngrund 31 ist ferner vollständig ausgerundet, was aufgrund
der Breite des Zahnfuß Z
und damit des sich zum Wellenkern verjüngenden Zahnzwischenraums möglich ist.
Der Rundungsradius r beträgt
beispielsweise 0,35 m. Der Zahnkopf 32 selbst ist im gezeigten
Beispiel im Wesentlichen ebenflächig,
er ist lediglich leicht gewölbt
entsprechend dem Außenradius
der Außenverzahnung.
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In ähnlicher
Weise ist das Profil der Innenverzahnung 26a des Schneckenelements 27a konzipiert,
das in 5 gezeigt ist, wobei entsprechende Ausführungen
natürlich
auch für
die Innenverzahnung 26b gelten. Auch hier sind die Zähne 33 gezeigt,
wobei jeder Zahn 33 eine bezogen auf die Vorzugsdrehrichtung
R nachlaufende drehmoment- oder lastübertragende Flanke 34 besitzt,
die auch hier einen Winkel von 0° zur
Normalen N auf die Drehachse A der Schneckenwelle besitzt. Die gegenüberliegende,
in der Vorzugsdrehrichtung R vorlaufende Zahnflanke 35 steht
auch hier unter einem Winkel α von 30° zur Normalen
N auf die Drehachse A. Das heißt, die
Winkelstellung der einzelnen Flanken entspricht identisch der der
Außenverzahnung,
was einen guten Formschluss ermöglicht,
wobei auch hier natürlich
die entsprechenden Zahnflanken im anliegenden Bereich ebenflächig ausgeführt sind.
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Auch
hier ergibt sich ein sehr breiter Zahnfuß Z, verglichen mit einer üblichen
symmetrischen Keilwellenverzahnung, was wie beschrieben auf die
zum Zahngrund hin auseinander laufenden Zahnflanken zurückzuführen ist.
Ebenfalls ist der Zahngrund 36 vollständig ausgerundet, der Radius
r beträgt
hier ca. 0,4 m. Die Möglichkeit
zur vollständigen
Ausrundung ist auch hier auf den sehr breiten Zahnfuß Z und
daraus resultierend den sich verjüngenden Zahngrund 36 zurückzuführen. Sowohl
bei der Schneckenwelle als auch den Schneckenelementen führt vorteilhaft die
vollständige
Ausrundung zu einer geringen Verringerung des jeweiligen Kernquerschnitts.
Das heißt,
bei der erfindungsgemäßen Verzahnung
können
die aus der Ausrundung resultierenden besonderen Vorteile hinsichtlich
der Kerbwirkung vollständig ausgenützt werden.
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Anders
als beim Zahnkopf 32 der Außenverzahnung ist bei der Innenverzahnung
der Zahnkopf 37 profiliert. Es ist eine Ausnehmung 38 vorgesehen, die
sich von der unter dem 30°-Winkel
stehenden vorlaufenden Zahnflanke 35 zur nachlaufenden 0°-Lastflanke 34 erstreckt,
jedoch über
einen Radius ausläuft,
so dass ein Zahnsteg 39 verbleibt, der sich zur Lastflanke 34 hin
erstreckt. Dieser aus einer Materialausnehmung resultierende Zahnsteg 39 ermöglicht einen
starken Abbau von insbesondere in diesem Bereich bei der Drehmomentübertragung
entstehenden Druckspannungen durch ein plastisches Fließen des
Zahnstegmaterials. Hierdurch kann der Effekt der Kantenpressungsüberhöhung in
diesem Bereich aufgrund des Spannungsabbaus vorteilhaft minimiert
werden.
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6 zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung die beiden miteinander in Eingriff
stehenden Verzahnungen. Dreht die Schneckenwelle 24a in
Vorzugsrichtung R, so erfolgt ein Drehmomentübertrag von der 0°-Zahnflanke 29 auf
die 0°-Zahnflanke 34.
Ersichtlich liegen die Zahnflanken aufgrund ihrer Ebenflächigkeit
und ihres an allen Stellen identischen Winkels großflächig aufeinander,
so dass die Flächenpressung
reduziert wird. Der Reduzierung der Flächenpressung ist ferner nützlich,
da aufgrund des asymmetrischen Profils die Zahl der Zähne der
jeweiligen Verzahnungen deutlich erhöht werden kann, das heißt, der
Modul kann infolge der Profilasymmetrie größer gewählt werden als bei einer vergleichbaren
symmetrischen Normverzahnung.
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Im Übrigen erlaubt
die 0°-Zahnflanke
eine thermische Ausdehnung, die sich vorzugsweise in radialer Richtung,
parallel zur Lastflanke, auswirkt. Eine Drehmomentübertragung
ist dabei weiterhin spielfrei möglich,
weshalb das erfindungsgemäße asymmetrische
Profil auch für
Temperaturwechselbelastung geeignet ist. Des Weiteren führt die 0°-Flanke zu
einer Minimierung von Spreizkräften
in der Nabe, also der Innenverzahnung des Schneckenelements. Denn
aufgrund der Flankenstellung zueinander werden fast ausschließlich Tangentialkräfte in den jeweiligen
Zahn der Innenverzahnung eingeleitet, jedoch keine Radialkräfte, wie
dies bei üblichen
Zahnwellenprofilen der Fall ist. Dies ermöglicht den Einsatz auch normalspannungsempfindlicher
Werkstoffe, wie beispielsweise durchgehärteter verschleißfester
Werkstoffe im Bereich der Innenverzahnung oder aber die Verwendung
von Keramikelementen. Auch das Beanspruchungsverhalten der Nabe
speziell bei abschnittsweise sehr geringer Wandstärke wird
aufgrund der Minimierung der Spreizkräfte günstig beeinflusst.
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Besonders
vorteilhaft wirkt sich die jeweilige Ausrundung im jeweiligen Zahngrund 31 bzw. 36 aus. An
den Übergängen der
jeweils lasttragenden Zahnflanken 29 und 43 zum
Zahngrund treten die höchsten
Spannungen und damit die höchste
Kerbwirkung auf. Durch die optimierte Geometrie im Zahngrund aufgrund
der vollen Fußausrundung
können
die Kerbwirkungen aber deutlich reduziert werden, gleichzeitig bleibt
aber aufgrund der relativ geringen Ausrundungsradien infolge der
Verschmälerung
des Zahnzwischenraums der Wellenkernquerschnitt bzw. der entsprechende
Querschnitt am Schneckenelement noch hinreichend stark. Anders als
bei symmetrischen Zahnwellenprofilen mit einem sehr breiten Zahnzwischenraum
und sehr scharfen Übergängen vom
Zahn zum Zahngrund ist der Bereich erhöhter Spannungen aufgrund der
vollen Ausrundung relativ klein, er ist exemplarisch in 6 über die
gestrichelte Linie L1 angedeutet.
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Wie
beschrieben kann über
den Zahnsteg 39 ein Abbau von in diesem Kantenbereich entstehenden
Druckspannungen erfolgen. Aufgrund eines plastischen Verhaltens
dieses Zahnstegs werden die Druckspannungen verlagert, ein Spannungszentrum bildet
sich, wie durch die Linie 12 dargestellt, im Bereich des Übergangs
des Zahnstegs 39 zur Ausnehmung 38 hin aus.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäß asymmetrischen Zahnprofils
liegt darin, dass ein Zahn zumindest im oberen Bereich des Zahnkopfes etwas
biegeelastisch ist, nachdem er sich wie in den Figuren gezeigt vom
Zahnfuß zum
Zahnkopf deutlich verjüngt.
Diese Biegeelastizität
ist dahingehend förderlich,
ein abweichungstolerantes Verhalten zu fördern, gegebenenfalls unter
Ausnutzung einer geringen teilplastischen Verformung im Zahnfußbereich. Das
heißt,
aufgrund dieser Biege elastizität
besteht die Möglichkeit,
sich bei der Drehmomentübertragung
dem Gegenlager, also dem Zahn der Innenverzahnung, anzupassen bzw.
etwaige Toleranzen auszugleichen. Dies insbesondere deshalb, als
in der Regel die Innenverzahnung deutlich härter, gegebenenfalls in besonderer
Weise oberflächenbehandelt ist.
Bevorzugt wird hierzu ein Schneckenwellenwerkstoff mit großem Streckgrenzenverhältnis gewählt, was
zu erhöhter
Dauerfestigkeit auch unter dynamischer Belastung führt. Eine
Drehmomentenerhöhung kann
im Übrigen
generell z.B. durch Kugelstrahlen, Nachrollen, Kaltwalzen oder dergleichen
der Verzahnungsteile sowohl im Bereich der Außen- als auch der Innenverzahnung
erreicht werden.
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Insgesamt
bietet die erfindungsgemäße Extruderschnecke
bzw. das erfindungsgemäße asymmetrische
Profil die Möglichkeit,
deutlich höhere Drehmomente
als mit vergleichbaren symmetrischen Profilen übertragen zu können, was
bereits aus der erfindungsgemäßen Profilform
resultiert. Denn es wird eine hinsichtlich der Kerbwirkungen wie
auch der Druckspannungen optimierte Geometrie vorgeschlagen. Ein
weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, die
Zahnzahl deutlich zu erhöhen,
was ebenfalls der Möglichkeit
zur Steigerung des übertragbaren
Drehmoments förderlich
ist. Ein besonderer Vorteil ist schließlich darin zu sehen, dass
unter Verwendung des erfindungsgemäßen Profils erstmals die Möglichkeit
besteht, hohe Drehmomente auch bei extrem großvolumiger Auslegung der Schnecken
bzw. Extruder im Bereich oberhalb eines Verhältnisses Di/Da > 1,6,
also beispielsweise von 1,66, 1,68 oder 1,70 oder größer, zu
bieten. Dies führt
zu einer eklatanten Steigerung der Leistungseffizienz erfindungsgemäßer Extruder
auf bisher nicht erzielbare Durchsätze.