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Die Befestigung von Hochleistungs-Luftschaufeln, beispielsweise zur Förderung von Kühlgasen in elektrischen Maschinen, auf sehr schnell laufenden Rotoren, setzt eine mechanisch hochfeste, lösbare Verbindung voraus, welche es gestattet, den Schaft eines Bauteils, beispielsweise eines Lüfterflügels, drehbar um die Längsachse einzustellen und danach zu fixieren. Der Lüfterflügel wird allgemein auch als Schaufel bezeichnet. Eine weitere Voraussetzung ist die nachträgliche Variation eines einmal eingestellten Drehwinkels des Schaftes.
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Das Problem wird dadurch erschwert, dass bei sehr schnell laufenden Rotoren, beispielsweise solchen mit kleinem Durchmesser und hoher Umfangsgeschwindigkeit, eine axiale Montage der Haltevorrichtung nicht möglich ist.
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Ein weiteres Problem ist die radiale Positionierung des Schaftes, welcher bei der klassischen Haltevorrichtung mittels eines Gewindes seine radiale Position bei jedem Verdrehen des Schaftes verändert. Durch die unterschiedlich positionierten Gewindeanfänge am Schaft des Bauteils und im Rotor ergeben sich bei gleichen Einstellwinkeln mehrerer Schäfte auf einem Rotor unterschiedliche radiale Positionen der einzelnen Schäfte. Dies hat Unwuchten und eine nachträgliche mechanische Korrektur des Außendurchmessers der am Schaft liegenden Bauteile, also beispielsweise der Lüfterflügel, zur Folge.
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Die
GB 2 191 249 A beschreibt eine Vorrichtung mit Ausnehmungen am Umfang eines Trägerkörpers, die jeweils mit einem Innengewinde versehen sind. Ein an einem Lüfterflügel befestigtes Schaftende ist mit einem Außengewinde versehen und in die Ausnehmung einschraubbar.
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In der
EP 0 515 006 A1 ist eine Vorrichtung offenbart, bei der ein Schaft eine Innennut und die Ausnehmung eine umlaufende Außennut aufweist, die im eingesteckten Zustand des Schaftes gemeinsam einen Aufnahmeraum für eine geschlitzte Sicherungsscheibe bilden.
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In der
DE 43 32 148 C1 ist eine Vorrichtung mit einer Hülse beschrieben, die ein zu ihrem Außengewinde gegensinniges Innengewinde aufweist, das mit einem Außengewinde eines Schaftes zusammenwirkt.
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In der
GB 639,320 A ist ein Turbinenrotor, der eine Schaufelnut mit Kerbverzahnungen aufweist, offenbart. Nach dem Einsetzen von Turbinenschaufeln in die Schaufelnut wird die Schaufelnut von einem Keilelement verschlossen, das zwei gezahnte Seitenteile aufweist, wobei sich im Keilelement Schraubbolzen befinden. Das Keilelement mit den zwei gezahnten Seitenteilen wird nach dem Einsetzen in die Schaufelnut durch Anziehen der Schraubbolzen und Verzahnung der gezahnten Seitenteile mit der Kerbverzahnung der Schaufelnut verklemmt. Dadurch entsteht eine hochfeste und lösbare Verbindung zwischen dem Keilelement und dem Turbinenrotor.
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In der
DE 35 10926 A1 ist eine Spannvorrichtung zum mechanischen Spannen von Befestigungselementen mit einem Schaft, einem Kopf und einem Gewindeende offenbart, wobei der Kopf auf einem Stützteil aufliegt. Auf dem Gewindeende sitzt eine Gewindemutter mit einer Gewindebohrung, die eine Vielzahl von Bohrungen aufweist, die kreisförmig zwischen einem äußeren Umfang der Mutter und der Gewindebohrung angeordnet sind. In den Bohrungen befinden sich unabhängig voneinander spannbare Schrauben, die beim Eindrehen eine Druckkraft auf ein Stützelement übertragen, wobei die Druckkraft ein Spannen des Schaftes zwischen der Mutter und dem Kopf bewirkt.
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In der
US 5 069 587 A ist eine Sicherungsmutteranordnung zum lösbaren Verbinden und Verspannen einer Maschinenkomponente auf einer Welle offenbart. Die Sicherungsmutteranordnung weist einen Mutter-Nabenkörper mit einer Gewindehauptbohrung und einen Mutter-Außenring auf. Der Mutter-Außenring ist mit dem Mutter-Nabenkörper verschraubt, um eine gleichmäßige Klemmkraft auf die Maschinenkomponente zur Verfügung zu stellen. Eine Mehrzahl von Schrauben verbindet den Mutter-Außenring mit dem Mutter-Nabenkörper. Ein Gewindeeingriff zwischen den Schrauben und Gewindebohrungen des Mutter-Nabenkörper bewirkt, dass der Mutter-Außenring mit einer hohen, gleichmäßigen Spannkraft gegen die Maschinenkomponente wirkt.
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Ferner sind Vorrichtungen mit einem Schaft, der einen Außenkonus aufweist, und mit einer Mutter, die einen mit dem Außenkonus des Schaftes korrespondierenden Innenkonus aufweist, wobei die Mutter ein Außengewinde, aber kein Innengewinde aufweist, bekannt.
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Schaftbefestigungen, welche an einem Schaufelfuß ohne Gewinde auskommen, haben das Problem, dass sich beim Anziehen einer Haltemutter die Schaufel aufgrund einer Reibung zwischen der Haltemutter und dem Schaufelfuß unkontrolliert verdrehen kann. Eine Einstellung eines definierten Schaufelwinkels ist somit nur sehr schwer möglich.
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Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, mit der ein Bauteil über einen Schaft an einem Trägerkörper angeordnet werden kann und es die Vorrichtung gestattet, den Schaft des Bauteils drehbar um seine Längsachse einzustellen und danach einfach zu fixieren.
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Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindungen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Schaft und eine Mutter auf, wobei der Schaft an einem Ende eine Schaftverbreiterung aufweist, wobei die Mutter eine zentrale Durchführung zur Durchführung des Schaftes, ein Außengewinde und zumindest eine weitere Durchführung aufweist.
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Demnach weist eine Vorrichtung zur Befestigung eines Bauteils, insbesondere einer Schaufel, welche z. B. als ein Lüfterflügel dient, an einem Trägerkörper, insbesondere einem Rotor bzw. einem Rotationskörper, einen Schaft und eine Mutter auf. Die Schaufel weist den Schaft auf oder ist an dem Schaft anordenbar oder auch an diesem angeordnet.
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Der Schaft weist ein Schaftende auf, wobei am Schaftende eine Schaftverbreiterung vorliegt. Die Schaftverbreiterung ist beispielsweise durch eine oder mehrere vom Schaft abstehende Nasen realisierbar. Eine weitere Ausgestaltung der Schaftverbreiterung ist die Ausbildung eines tellerartigen bzw. scheibenartigen Endabschlusses des Schaftendes. Dabei betrifft die Schaftverbreiterung dasjenige Schaftende, welches einer Rotationsachse des Rotationskörpers zugewandt ist. Der Rotationskörper ist beispielsweise eine Welle oder auch ein mit einer Welle verbundener Körper. Die Welle ist beispielsweise:
- – die Welle eines Rotors einer elektrischen Maschine,
- – die Welle einer Gasturbine
- – die Welle einer Pumpe
- – die Welle eines Lüfters
- – etc.
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Der Schaft weist zumindest teilweise eine zylindrische Grundform auf. In dem Bereich der zylindrischen Grundform ist vorteilhaft die Mutter angeordnet. Dadurch, dass die Mutter eine kreisförmige Durchführung aufweist, welche im Vergleich zum Durchmesser des Schaftes im Bereich der zylindrischen Grundform einen geringfügig größeren Durchmesser aufweist, ist der Schaft, solange dieser nicht arretiert ist, in Bezug auf die Mutter drehbar.
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Die Arretierung betrifft im Einbau- bzw. Betriebszustand des Schaftes insbesondere eine Arretierung in Bezug auf den Trägerkörper. Um die Arretierung zu gewährleisten dient die weitere Durchführung.
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Die zentrale Durchführung der Mutter ist eine Durchführung, in welche die Achse des Außengewindes der Mutter fällt. Somit ist die zentrale Durchführung diejenige Durchführung, welche jede Mutter üblicherweise aufweist. Die Mutter ist eine Art Hülse mit einem Außengewinde. Dabei ist die Mutter derart ausgebildet, dass diese zumindest eine weitere Durchführung aufweist. Vorteilhaft weist die Mutter mehrere weitere Durchführungen auf, welche um die Achse des Außengewindes der Mutter angeordnet sind. Wird die Mutter als eine ein Außengewinde aufweisende Hülse betrachtet, so befinden sich die weiteren Durchführungen in einer Wandung der Hülse, wobei die Wandung der Hülse im Bereich der weiteren Durchführungen dicker ist als die Durchmesser der weiteren Durchführungen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der beschriebenen Vorrichtung weist die weitere Durchführung ein Innengewinde auf. Das Innengewinde dient der Aufnahme eine Schraube. Somit ist die erfindungsgemäße Vorrichtung derart ausführbar, dass diese auch zumindest eine Schraube aufweist. Die Schraube weist ein zum Innengewinde der weiteren Durchführung korrespondierendes Außengewinde auf. Die Schraube ist in die weitere Durchführung derart eingeschraubt, dass das Schrauben ende, welches einem Schraubenkopf gegenüber liegt an die Schaftverbreiterung stößt. Mittels der Schraube ist die Mutter von der Schaftverbreiterung derart beabstandet, dass Mittels der Schraube eine Kraft auf die Schaftverbreiterung ausübbar ist. Wird die Schraube in die weitere Durchführung eingedreht und stößt die Schraube an der Schaftverbreiterung an, so stützt sich die Schraub an der Mutter ab, wobei sich die Mutter an dem Trägerkörper, welcher ein Rotationskörper ist, abstützt und derart der Schaft auf den Trägerkörper mittels einer durch die Schraube ausgeübten Kraft gedrückt wird.
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Vorteilhafter Weise weist die Mutter mehrere weitere Durchführungen auf, welche in etwa symmetrisch im Bereich des Umfanges der Mutter verteilt sind, wobei für jede weitere Durchführung eine Schraube vorgesehen ist und somit eine in etwa symmetrische Kraftausübung auf den Schaft bzw. die Schaftverbreiterung realisierbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Vorrichtung einen Trägerkörper auf, welcher eine Ausnehmung aufweist, wobei die Ausnehmung ein zum Außengewinde der Mutter korrespondierendes Innengewinde aufweist. Vorteilhaft ist die Ausnehmung so tief, dass die Mutter in die Ausnehmung versenkbar ist. Die Versenkung betrifft entweder nur einen Teil der Mutter oder auch die gesamte Mutter. Dies hat den Vorteil, dass der Trägerkörper derart ausbildbar ist, dass aus diesem außer den Schäften und/oder den an den Schäften anschließenden Schaufeln keine überstehenden Teile aufweist. Bei hochdrehenden Rotationskörpern verhindert dies Verwirbelungen. Somit kann beispielsweise der Wirkungsgrad einer Turbine, eines Lüfters oder auch einer Pumpe verbessert werden. Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn auch die Schrauben, welche in die weiteren Durchführungen eingeschraubt sind in der Mutter teilweise oder vollständig versenkt sind.
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Auch bei der Vorrichtung, welche eine in der Ausnehmung des Trägerkörpers versenkte Mutter und/oder in der Mutter versenkte Schrauben aufweist, sind die Schrauben derart in den weiteren Durchführungen der Mutter positioniert, dass die Schrauben die Schaftverbreiterung kontaktieren und die Schaftverbreiterung einen Grund der Ausnehmung kontaktiert.
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Die Kontaktfläche der Schaftverbreiterung korrespondiert vorteilhaft mit der Kontaktfläche des Grundes der Ausnehmung. Beispielsweise können die Kontaktflächen plan ausgeführt sein. Der Fuß des Schaftes, also die Schaftverbreiterung, weist also vorteilhaft an deren Stirnseite eine plane Auflagefläche auf, mit der er sich verdrehbar am Trägerkörper abstützen kann.
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In einer weiteren Ausführung weist eine der Kontaktflächen oder auch beide Kontaktflächen eine Oberflächenstruktur auf, welche einen höheren Reibkoeffizienten zwischen den beiden Kontaktflächen bewirkt. Die Oberfläche kann beispielsweise geriffelt ausgeführt sein. Durch die Vergrößerung des Reibkoeffizienten können höhere Kräfte auf den Schaft bzw. auf eine mit diesem verbundenen Schaufel wirken, ohne dass sich ein Anstellwinkel der Schaufel verändert. Der Trägerkörper weist z. B. mehrere Schaufeln auf, welche symmetrisch angeordnet sind, wobei zur Verbesserung des Strömungsverhaltens eine genaue Einhaltung der Anstellwinkel von großer Bedeutung ist.
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Eine Schaufel, welche einen Schaft aufweist, ist z. B. mittels eines Gießvorganges unter Verwendung von Kunstharzen herstellbar. Ist der Schaft mit der Schaftverbreiterung und mit der Schaufel einteilig ausgebildet, so sind bestimmte Verfahren zur Positionierung der Mutter auf dem Schaft notwendig, wenn die zentrale Durchführung der Mutter bezüglich des Durchmessers kleiner ist als entsprechend die Schaftverbreiterung bzw. die Schaufel.
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In einem vorteilhaften Verfahren zur Positionierung der Mutter auf dem Schaft wird die Mutter vor dem Gießvorgang bereits über den Schaft bzw. über den zu gießenden Schaft positioniert. Somit wird die Mutter bereits mit in das Verfahren zum Gießen einer Schaufel integriert.
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Bei auf einem Trägerkörper in Form eines Rotors zu befestigenden Bauteilen, welche in einer Form unter Unterdruck aus metallischen oder plastischen Materialien mit oder ohne Verbundstoffen gespritzt werden, kann die Mutter einteilig ausgeführt und vor dem Spritzvorgang auf dem metallischen Fuß des Schaftes gesteckt werden, sofern die einteilige Mutter nicht über das fertige Bauteil passt.
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In einem weiteren Verfahren zur Positionierung der Mutter auf dem Schaft wird eine mehrteilig ausgeführte Mutter verwendet.
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Dies kann notwendig sein, wenn die Mutter nicht über ein an dem Schaft angeordnetes Bauteil passt. Diese mehrteilig ausgeführte Mutter weist zumindest zwei Teile auf, wobei durch diese beiden Teile die zentrale Durchführung der Mutter derart aufgebrochen ist, dass sich eine Öffnung von zumindest 180 Grad ergibt. Die Teile der Mutter werden um den Schaft, welcher bereits die Schaufel und die Schaftverbreiterung aufweist gruppiert und z. B. mittels Schweißverbindungen, durch Stifte, durch eine Verzahnung und/oder mittels Verklebung zusammengeführt.
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In einem weiteren Verfahren zur Positionierung der Mutter sind der Schaft und die Schaftverbreiterung zweiteilig ausgeführt, wobei in einem ersten Schritt die Mutter auf den Schaft gesteckt wird und in einem nachfolgenden Schritt die Schaftverbreiterung mit dem Schaft verbunden wird.
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Zur besseren Montage der Mutter kann diese auf einer Stirnseite, welche dem Trägerkörper abgewandt ist, Mittel zum Angreifen mit Hilfe eines Werkzeugs aufweisen. Ein derartiges Mittel sind beispielsweise Grundlöcher beliebiger Form und/oder Nuten, welche ein Spezialwerkzeug zum Einschrauben der Mutter aufnehmen können.
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Von Vorteil ist es weiterhin, wenn der Schaft, insbesondere der Fuß des Schaftes, einen Hohlraum zur zumindest teilweisen Aufnahme eines Bauteils aufweist, wobei das Bauteil insbesondere ein Teil einer Schaufel für ein Schaufelrad ist, wobei auch der Trägerkörper ein Teil des Schaufelrades darstellt. Durch den Hohlraum des Schaftes lässt sich das Bauteil sicher im Schaft verankern.
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Die Vorrichtung lässt sich insbesondere bei Schaufelrädern, Axiallüftern, Axial-Wellenlüftern, Verdichtern, Turbomotoren und/oder High-Speed-Rotoren (Schnellläufer) elektrischer Maschinen und/oder Gasturbinen bzw. Dampfturbinen einsetzen.
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In einem Verfahren zum Befestigen eines Bauteils, welches insbesondere eine Schaufel ist, an einem Trägerkörper, wird eine Vorrichtung und/oder eine Anordnung nach einer der zuvor beschriebenen Arten verwendet.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich analog zu den vorteilhaften Ausgestaltungen der Vorrichtung und/oder der Anordnung und umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Dabei zeigt:
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1 eine Befestigungsvorrichtung und
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2 eine Aufsicht auf die Befestigungsvorrichtung
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Die Darstellung gemäß 1 zeigt eine Vorrichtung 1, welche einen Schaft 3 und eine Mutter 5 aufweist. Die Vorrichtung betrifft die Befestigung des Schaftes 3 am Umfang eines Trägerkörpers 19, welcher insbesondere ein Rotationskörper ist. Eine Anordnung mit einer Vorrichtung 1 nach einer der zuvor beschriebenen Arten und mit einem Trägerkörper 19 ist so ausgebildet, dass der Trägerkörper 19 eine Ausnehmung 21 aufweist, in der die Vorrichtung 1 angeordnet ist. Der Trägerkörper 19 weist je Schaft 3 eine Ausnehmung 21 in Form eines Grundloches mit definierter Tiefe 27 und planer Grundfläche 23 sowie mit einem zur Mutter 3 korrespondierenden Innengewinde 18 auf. Die Darstellung gemäß 1 zeigt lediglich die Anbringung eines Schaftes 3. Die plane oder partiell plane Grundfläche 23 bildet eine Auflagefläche für eine korrespondierende Auflagefläche der Schaftverbreiterung 7, wobei die Schaftverbreiterung 7 auf die Grundfläche 23 pressbar ist.
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Gemäß der in 1 dargestellten Vorrichtung ist es möglich den Schaft 3 zwar mit einer Gewindemutter 5 zu halten, zwischen der Gewindemutter 5 und dem Schaft 3, welcher das Ende einer Schaufel 25 bildet, jedoch keine Kontaktfläche zu haben, welche eine Verdrehung des Schaftes 3 beim Anziehen der Gewindemutter 5 verursacht und welche trotzdem eine unveränderliche radiale Lage des Schaftes 5 auf dem Trägerkörper 19 auch bei Winkelverstellungen der Schaufel 25 ermöglicht.
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Der Schaft 3 weist einen Fuß in Form eine Schaftverbreiterung 7 auf. Die Verbreiterung bezieht sich dabei auf die Vergrößerung des Durchmesser des Schaftes 3 an dessen einem Ende, welches dem Trägerkörper 19 zugewandt ist. Die Schaftverbreiterung 7 weist beispielsweise eine zylindrische Form in Gestalt eines mit dem Schaft 3 einteilig ausgebildeten Tellers auf. Die Schaftverbreiterung 7 weist an einer Stirnseite eine plane oder ringförmig plane Auflagefläche 29 auf. Die Mutter 5 weist einen Mutterkörper mit einem Außengewinde 11 und eine zentralen, zylindrische, gewindelosen Durchführung/Durchdringung 9 auf. Die zentrale Durchführung 9 nimmt den Schaft 3 auf. Der Mutterkörper, also die Mutter 5, weist mehrere Gewindebohrungen 13 auf. Die Gewindebohrungen sind weitere Durchführungen 13 durch die Mutter 5. In die Gewindebohrungen sind Schrauben 15 eingedreht. Die Schrauben 15 weisen ein Außengewinde 12 auf, welches in das Innengewinde 17 der weiteren Durchführung 13 greift. Die Schrauben 15 sind Druckschrauben, welche zur Ausübung einer Kraft auf die Schaftverbreiterung 7 vorgesehen sind. Zum Einschrauben ist in der Schraube 15 ein Innensechskant 35 vorgesehen.
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Zur Montage des Schaftes 3 auf dem Trägerkörper 19 wird die auf dem Schaft 3 befindliche Mutter 5 lediglich in die ein Innengewinde 18 aufweisende Ausnehmung 21 eingeschraubt. Ist der Schaft 3 in seiner Winkelstellung korrekt positioniert, erfolgt das eigentliche Spannen durch Anziehen der Schrauben 15. Da die Schrauben 15 vorteilhaft gleichmäßig um das Außengewinde 11 der Mutter 5 verteilt sind, wird die Spannkraft gleichmäßig auf die Schaftverbreiterung 7 verteilt. Somit werden die Mutter 5 bzw. der Schaft 3 in ihrer Position verspannt und radial, axial bzw. azimutal verspannt.
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Die Darstellung gemäß 2 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Zusätzlich zu den in 1 dargestellten Merkmalen zeigt 2 Montagegrundlöcher 31 zur Aufnahme von Stiften 37 eines Montagewerkzeuges 33 für die Montage der Mutter 5. Die Schrauben 15, welche sich in den weiteren Durchführungen 13 befinden, weisen einen Innensechskant 35 auf.
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Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt eine sichere Bauteilbefestigung bezüglich einer Fliehkraftbeanspruchung und bezüglich eines Verdrehens des Bauteils auf dem Trägerkörper 19. Das Bauteil ist insbesondere eine Schaufel 25 bzw. allgemein ein Bauteil mit einem Schaft 3. Ein Lösen des Bauteils und/oder eine Neubefestigung in einer anderen Winkelstellung ist, beispielsweise für Lüfterflügel, problemlos möglich. Es erfolgt eine exakte radiale Positionierung des Bauteils auf dem Trägerkörper 19, welcher z. B. ein Rotor einer nicht dargestellten elektrischen Maschine ist, auch bei unterschiedlichen Winkelstellungen des Bauteils durch Pressung der planen Auflagefläche der Schaftverbreiterung des Schaftes auf den in 1 dargestellten Grund 23 der planen Grundfläche der Ausnehmung 21 im Trägerkörper 19. Auch dies ist beispielsweise für Lüfterflügel wichtig. Die Schaftbefestigung eignet sich sowohl für metallische als auch für plastische Werkstoffe bzw. Kunststoffe. Sie benötigt lediglich einen radialen Zugang zum Trägerkörper 19, nicht jedoch einen axialen. Darüber hinaus hat die Schaftverbindung bei sicherer Befestigung nur einen geringen Platzbedarf, was aus dem kleinen Außendurchmesser der Mutter 53 folgt. Dadurch können relativ viele Bauteile am Umfang eines Trägerkörpers 19 befestigt werden, was ebenfalls bei Lüfterflügeln relevant ist.
