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Die Erfindung betrifft eine Welle,
einen Getriebemotor, ein Verfahren zum Wiedermontieren einer Verbindung,
eine Baureihe von Wellen und ein Verfahren zur Fertigung. Die Erfindung
umfasst auch anstatt der Wellen entsprechend ausgeführte Schafte.
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Aus der
EP 0 339 380 B1 ist eine
Vorrichtung zur koaxialen drehfesten Verbindung zweier Teile bekannt,
bei der ein Quergewindestift zur axialen Fixierung eingesetzt wird.
Die Vorrichtung ist jedoch aufwendig zu fertigen, da der Quergewindestift
ein zusätzliches
Teil darstellt und eine entsprechende, für diesen Quergewindestift geeignete
Gewindebohrung zu fertigen ist.
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Aus der
DE 37 32 223 C2 ist ein
Presspassungsaufbau für
eine Rotorwelle bekannt. Dabei wird eine Welle mit ihrem verzahnten
Bereich eingeführt
in eine Bohrung eines Aufnahmeteils, wobei beim formschlüssigen Einpressen
Späne entstehen.
Zum Sammeln der beim formschlüssigen
Einpressen entstehenden Späne
sind Ringnuten vorgesehen. Außerdem
weist die Welle mindestens zwei Passbereiche (
4,
6,
7) auf.
Die Fertigung des Presspassungsaufbaus ist somit insbesondere wegen
der mindestens zwei Passbereiche und den Ringnuten aufwendig und
kostspielig.
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Aus der
DE 41 34 552 A1 ist eine
Ritzel-Befestigung für
Planetengetriebe bekannt, bei der ein Ritzel mit einem Passbereich
und einer genormten, gehärteten
und geschliffenen Rändelverzahnung versehen
ist und in das Aufnahmeteil bei erhöhter Temperatur eingepresst
wird. Zum Sammeln der Späne
sind ebenfalls Ringnuten vorgesehen. Der Passbereich und die Verzahnung
weisen verschiedene Außendurchmesser
auf. Die Fertigung dieser Ritzel-Befestigung ist ebenfalls aufwendig
und kostspielig, insbesondere wegen den Ringnuten und den verschiedenen
Außendurchmessern
der Verzahnung und des Passbereichs.
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Aus der
EP 0 784 758 B1 ist eine
Wellen-Befestigung bekannt, die zwei Passbereiche (
1 und
2,
Bereiche A und C) aufweist. Beim Einführen der Welle in die Bohrung
eines Aufnahmeteils wird der Formschluss durch ein formschlüssigen Einpressen erreicht.
Das Drehmoment wird von dem verzahnten oder gerändelten Bereich B übertragen.
Nachteilig ist, dass der Bereich C kein Drehmoment übertragen kann.
Relativbewegungen in den Bereichen A und C führen dabei zu Reibdauerbrüchen. Nachteilig
ist weiter, dass zwei Passbereiche (Bereiche A und C) notwendig
sind und somit eine große
Baulänge
notwendig ist. Außerdem
ist die Fertigung zweier Passbereiche sehr kostspielig. Des Weiteren
weist die Bohrung drei verschiedene Durchmesser auf, die ebenfalls
aufwendig zu fertigen sind. Die notwendigen Bereiche A und C stellen
ausschließliche
Zentrierhilfen dar, die nichts zur Drehmomentübertragung beitragen.
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Aus der
EP 0 661 474 B1 ist eine
Wellen-Befestigung bekannt, die ebenfalls zwei Passbereiche und
eine Bohrung mit drei verschiedenen Durchmessern aufweist. Auch
eine solche Wellen-Befestigung ist aufwendig zu fertigen. In einer
anderen Variante derselben Schrift wird auch eine Wellenbefestigung mit
nur zwei verschiedenen Durchmessern der Bohrung offenbart. Auch
diese Variante ist kostspielig, da die Passbereiche und die Innenwände der
Bohrung derart genau bearbeitet werden müssen, dass einerseits beim
Einführen
der Welle zum Einpressen in die Bohrung des Aufnahmeteils keine
Späne entstehen und
andererseits nach Einführen,
also im eingepressten Zustand nach Montage, keine Zwischenräume zwischen
der Welle und der Innenwand der Bohrung entstehen. Das Drehmoment
wird von dem verzahnten oder gerändelten
Bereich B übertragen. Nachteilig
ist auch, dass der Bereich A kein Drehmoment übertragen kann. Die notwendigen
Bereiche A und C stellen ausschließliche Zentrierhilfen dar,
die nichts zur Drehmomentübertragung
beitragen.
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Bei dem Stand der Technik ist nach
dem Lösen
der dort beschriebenen Verbindung ein Wiederverwendung nicht mehr
vorteilhaft ausführbar.
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Aus der
DE 197 18 307 A1 ist eine
Pressverbindung bekannt, bei der eine weiche Kupfer und/oder Zink-Beschichtung
vorgesehen ist. Somit ist es ermöglicht
bei wiederholtem Drehen und gleichzeitigem Anpressen eine stoffschlüssige Zusatzverbindung
zu schaffen, indem bei dieser Bewegung ein hoher Druck und eine
hohe Temperatur erzeugbar und diese dann den Stoffschluss bewirken können. Nachteilig
ist dabei, dass keine Wiederverwendung der Verbindung ermöglicht ist.
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Aus der
DE 195 15 180 A1 ist eine
Welle zur Kraftübertragung
bekannt, bei der allerdings nachteiligerweise Axialkräfte mittels äußerer und
innerer Verformungen abgefangen werden müssen und ebenfalls keine Wiederverwendung
ermöglicht
ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Wellen-Befestigung weiterzubilden, wobei die Service-Kosten gering
gehalten werden und die Wellen-Befestigung kostengünstig mit
wenig Aufwand herstellbar und über
eine große
Standzeit betreibbar sein soll.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Welle
nach den in Anspruch 1, bei dem Getriebemotor nach den in Anspruch
6, bei dem Verfahren nach Anspruch 7, bei der Baureihe nach den
in Anspruch 8, bei der Welle nach Anspruch 20 oder 21 und bei dem
Verfahren nach den in Anspruch 22 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung
sind dabei, dass die Welle zur Befestigung in einer Bohrung eines
Aufnahmeteiles vorsehbar ist, wobei die Welle unter Spanbildung
beim Einführen
in die Bohrung des Aufnahmeteiles formschlüssig verbunden ist, wobei die
Welle und/oder zumindest die Bohrung des Aufnahmeteils beschichtet
ausgeführt
ist.
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Alternativ sind wesentliche Merkmale
der Erfindung, dass die Welle zur Befestigung in einer Bohrung eines
Aufnahmeteiles vorsehbar ist, wobei die Welle unter Materialverformung
beim Einführen
in die Bohrung des Aufnahmeteiles formschlüssig verbunden ist, wobei die
Welle und/oder zumindest die Bohrung des Aufnahmeteils beschichtet
ausgeführt
ist, wobei die Beschichtung zur Erzeugung eines Übermaßes an Material vorgesehen
ist.
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Vorteilig ist bei der Erfindung,
dass die kostspielig herzustellende Rotorwelle wiederholt verwendet
werden kann und nicht neu hergestellt werden muss. Außerdem kann
auch die Welle wiederverwendet werden. Darüber hinaus können die
Rotonnrelle und die Welle dieselben Sachnummern in der Teileverwaltung
behalten, wodurch die Teilevielfalt reduzierbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Beschichtung als eine PVD-Beschichtung, also physical vapor
deposition, ausgeführt.
Vorteilig ist dabei, dass ein industriegängiges, und daher kostengünstiges
Verfahren anwendbar ist, das auch eine hohe Qualität sichert.
Alternativ ist die Beschichtung als eine plasmainduzierte Beschichtung,
eine PECVD- Beschichtung,
oder mittels APS, also atmosphärischem
Plasmaspritzen, Plasmanitrieren, Bedampfen ausgeführt. Vorteilig
sind dabei die dem Fachmann bekannten Vorzüge der jeweiligen Verfahren.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Beschichtung aus WC, WC/C, TiN, TiCN, CrN oder TiC ausgeführt. Von
Vorteil ist auch, dass zusätzlich eine
hohe Härte
erreichbar ist und die Beschichtung in der kostengünstigen
Weise nach Stand der Technik erzeugbar ist, insbesondere mittels
eines Bades durch bloßes
Eintauchen.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Beschichtung zur Erzeugung eines Übermaßes an Material vorgesehen,
um eine wiederholte materialverformende und/oder spanbildende Montage
ausführbar
zu machen. Von Vorteil ist dabei, dass die Wiederholte Verwendbarkeit
in einfacher und kostengünstiger
Weise herstellbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist das mittels der Beschichtung erzeugte Übermaß kleiner als 10 μm. Von Vorteil
ist dabei, dass die Beschichtung schnell aufbringbar ist und die
Welle mit gleichem oder ungefähr
gleichem Übermaß einpressbar ist.
Falls das Übermaß nicht
in gleicher Weise erreichbar ist, ist allerdings zu beachten, dass
eine höhere
Einpresskraft erreichbar ist, weil die härtere Beschichtung die Materialverformung
mehr auf die nicht beschichtete Seite verschiebt.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung
sind dabei, dass der Rotor des Elektromotors als Aufnahmeteil mit
einer Bohrung ausgeführt
ist und die Welle darin materialverformend und/oder spanbildend
befestigt ist, wobei die Welle in einem Endbereich mit einer Verzahnung
versehen ist, die im Eingriff steht mit zumindest einem weiteren
Verzahnungsteil des Getriebes, wobei die Welle und/oder zumindest
die Bohrung des Aufnahmeteils beschichtet ausgeführt ist. Von Vorteil ist dabei,
dass die Welle, insbesondere Ritzelwelle, ebenso wiederverwendbar
ist wie die Rotorwelle.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung
sind dabei, dass das Verfahren zum Wiedermontieren einer Verbindung
wobei
- – eine
Welle und ein Aufnahmeteil, die materialverformend und/oder spanbildend
verbunden sind, voneinander gelöst
werden,
- – die
Welle und/oder zumindest die Bohrung des Aufnahmeteils mit einer
Beschichtung versehen werden,
- – die
Welle und das Aufnahmeteil wiederum materialverformend und/oder
spanbildend verbunden werden.
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Von Vorteil ist dabei, dass das Verfahren
eine Wiederverwendung der voneinander gelösten Teile ermöglicht und
einfach und kostengünstig
ausführbar ist,
insbesondere auch in weltweit verteilten, von der zentralen Fertigungsstätte weit
entfernten kundennahen Service-Centern.
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Die Baureihe von Wellen zur Befestigung
in einer Bohrung eines Aufnahmeteiles umfasst dabei mindestens zwei
verschiedene Baugrößen, die
jeweils verschiedene Varianten von Wellen umfassen.
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Wesentliche Merkmale der Erfindung
bei der Baureihe sind, dass
- a) die Welle jeweils
mindestens fünf
axiale Bereiche A, B, C, D und F besitzt, die in alphabetischer Reihenfolge
der sie bezeichnenden Buchstaben aneinandergrenzen und von denen
F einen größeren Außendurchmesser
als A, B und/oder C hat;
- b) innerhalb einer Baugröße mehrere
Varianten von Wellen umfasst sind, die im Bereich F der Welle jeweils
verschieden verzahnt sind, insbesondere verschiedene Außendurchmesser
aufweisen;
- c) bei der Welle der Bereich C verzahnt und/oder gerändelt ist;
- d) innerhalb einer ersten Baugröße mindestens bei einer ersten
Variante die Welle im Bereich A und B nicht verzahnt ist;
- e) innerhalb der ersten Baugröße bei mindestens einer zweiten
Variante die durch die Zahnlücken der
Verzahnung des Bereiches F gebildeten Ausnehmungen sich in ihren
Fußzonen
mindestens teilweise auch in den Bereich B oder in den Bereich B
und A der Welle erstrecken;
- f) die Bohrung im Aufnahmeteil mindestens in drei axial aneinandergrenzende
Bereiche G', H' und J' aufgeteilt ist,
wobei der Bereich G' bei
in dem Aufnahmeteil befestigter Welle dem Bereich A zugeordnet ist
und wobei der Bereich N' bei
in dem Aufnahmeteil befestigter Welle dem Bereich C zugeordnet ist,
und der Bereich J' sich
an den Bereich B' anschließt;
- g) die Bohrung im Aufnahmeteil im Bereich G' einen Innendurchmesser aufweist, der
mathematisch gleich oder größer ist
als ein Wert d;
- h) der Wellenbereich A den aufnahmeteil-seitigen Teilbereich
A1 und den sich an diesen anschließenden Teilbereich A2 umfasst,
wobei der Teilbereich A1 einen Außendurchmesser aufweist, der dem
Durchmesser d des Bereiches G' derart gleicht
oder kleiner ist und der Außendurchmesser
des Teilbereiches A2 derart gleich oder größer ist als der Außendurchmesser
im Teilbereich A1, dass bei in dem Aufnahmeteil eingepresster Welle eine
kraftschlüssige
Verbindung vorgesehen ist;
- i) der Wellenbereich B sich an den Bereich A2 anschließt und der
Bereich C sich an den Bereich B anschließt, wobei der Außendurchmesser
des Bereiches B gleich oder kleiner ist als der Außendurchmesser
des Bereiches C;
- j) bei in dem Aufnahmeteil eingepresster Welle diese mit ihrem
verzahnten oder gerändelten
Bereich C infolge des Einpressens der Welle formschlüssig in
den Bereich H' der
Bohrung eingeschnitten ist.
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Vorteiligerweise überträgt die kraftschlüssige Verbindung
im Bereich A2 auch Axialkräfte.
Von Vorteil ist weiter, dass eine zentrische Aufnahme der zu befestigenden
Welle oder des Schaftes, insbesondere Ritzelschaftes, geschaffen
ist. Nach Einhalten entsprechend hoher Montagegenauigkeiten treten
die Bereiche A, B, C, D und F während
des Einpressens nacheinander in die Bohrung des Aufnahmeteils ein. Der
Teilbereich A1 und der Bereich B zentrieren dabei vor und führen die
Welle während
der Montage. Da der Durchmesser des Bereiches A kleiner ist als der
Innendurchmesser des Bereiches G',
wird erst bei Eintreten des Bereiches A, insbesondere A2, der Welle
eine genaue Zentrierung ermöglicht.
Denn der Durchmesser des Bereiches A1 ist etwas kleiner ausführbar als
der Außendurchmesser
des Bereiches A2, insbesondere ein bis sechs Hundertstel. Somit führt bei
weiterem Einpressen der Bereich A2 die Welle zentrisch. Dadurch
ist vorteiligerweise eine hohe Stabilität gegen Querkräfte gegeben.
Statt der erwähnten
Durchmesser-Differenz im Bereich von ein bis sechs Hundertstel sind
auch andere Durchmesserdifferenzen verwendbar, insbesondere unter Anwendung
von Temperaturdifferenzen zwischen Aufnahmeteil und Welle beim Einpressen.
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Durch die beschriebenen Bereiche
A1 und B ist der Bereich A2 zusammen mit G' als Presspassung ausführbar, wobei
wegen des nicht vorhandenen Spiels eine höhere Zentriergenauigkeit erreichbar
ist. Daher ist weiter vorteilig, dass Axialkräfte im Bereich dieser Presspassung übertragbar
sind.
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Beim weiteren Einführen der
Welle werden dann die Bereiche A, B und C eingepresst. Somit entsteht
im gerändelten
oder verzahnten Bereich C eine formschlüssige Verbindung.
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Die eigentliche Kraft- und Drehmomentübertragung
ist mittels der formschlüssigen
Verbindung im Wesentlichen im Bereich C ermöglicht.
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Der Außendurchmesser im Bereich B
ist kleiner als der Außendurchmesser
im Bereich C, beispielsweise ein bis drei Zehntel kleiner. A1 und
B sind vorteiligerweise derart ausgeführt, dass bei der Montage beim
Ansetzen ein manuelles Einfädeln
möglich ist.
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Weiterer Vorteil der Erfindung ist,
dass die Fertigung der Welle vereinfacht und kostengünstig ist.
Insbesondere ist das Überschleifen
in einem Arbeitsgang ermöglicht,
wobei der radiale Abstand des Bearbeitungswerkzeuges über den
axialen Bereich hinweg anpassbar ist.
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Von Vorteil ist außerdem,
dass die Fertigungs- und Lagerkosten gering gehalten werden, weil
keine Kupplungen zwischen der Welle, insbesondere umfassend getriebeseitige
Laufverzahnung, und dem Aufnahmeteil notwendig sind. Daher ist die Wellen-Befestigung
kostengünstig
mit wenig Aufwand herstellbar.
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Von Vorteil ist auch, dass das Aufnahmeteil an
seinem Ende mit einer Zentriereinrichtung vorsehbar ist, die zur
zentrischen Aufnahme der Welle dient. Weil die axiale Ausdehnung
des Bereiches A gleich oder größer ist
als der Bereich H',
ist die Welle während
des Einführens der
Welle in die Bohrung des Aufnahmeteils, insbesondere beim Einpressen
der Rändelung
des Bereiches C in das Material des Aufnahmeteils im Bereich N', geführt, weil
der Außendurchmesser
des Einsteckritzels im Bereich B dem Innendurchmesser des Aufnahmeteils
im Bereich N' zum
Einfädeln
anpassbar ist. Somit ist die Welle beim Einfädeln und Einführen zentrisch
gehalten. Die Bereiche A1 und B bilden also eine Zentriereinrichtung und/oder
Zweipunktlagerung beim Einführen.
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Darüber hinaus weist die Bohrung
nicht mehrere sondern nur zwei verschiedene, einfach zu fertigende
Bohrungsinnendurchmesser auf, nämlich
im Bereich G' einen
kleineren als im Bereich H'.
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Wesentlicher Vorteil ist auch, dass
die zentrische Führung
durch die entsprechend ausgelegten, zueinander liegenden Bereich
A1 und G' mit zunehmendem
Einführen
der Welle stärker
wird. Gleiches gilt dann bei weiter zunehmendem Einführen auch
für A2
mit G'. Querkräfte bewirken
bei zunehmendem Einführen
also eine immer geringere radiale Auslenkung der Welle.
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Weiterer Vorteil ist bei der Erfindung,
dass die Welle in den Bereichen A, B und C möglichst groß ausführbar sind, insbesondere nur
wenig kleiner als der Außendurchmesser
des verzahnten Bereiches F. Dies führt zu einer hohen Festigkeit,
insbesondere bei Torsion. Bei anderen Varianten der Baureihe ist allerdings
der Außendurchmesser
des Bereiches F erheblich größer ausführbar, da
die Verzahnungsdaten sich entsprechend unterscheiden. In diesem
Fall ist der Bereich D zur Verminderung der Kerbwirkung vorteilhaft.
Ohne den Bereich D wäre
die Welle dann nur zur Übertragung
geringer Drehmomente und zur Aufnahme geringer Axialkräfte und/oder
Radialkräfte verwendbar.
Die genaue Form des Bereiches D ist durch Berechnungen mit Finite-Elemente-Methode optimierbar.
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Weiterer Vorteil ist bei der Erfindung,
dass die Ausnehmungen der Zahnlücken
des Bereiches F über
den Bereich D, C und in den Bereich B und verzahnungsdatenabhängig auch
in den Bereich A hineinlaufen dürfen,
ohne dass die Festigkeit oder andere wesentliche Eigenschaften der
Wellen-Befestigung beachtenswert verschlechtert wären. Also
ist auch mit der vorliegenden Erfindung die Verzahnung des Bereiches
einfach und kostengünstig
fertigbar bei gleichzeitig möglichst
großem
Durchmesser im Bereich C, B und A der Welle, also hoher Festigkeit. Die
genaue Form des Verlaufes hängt
von den Verzahnungsdaten des Bereiches F ab.
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Wesentlicher Kern der Erfindung ist,
dass vorteiligerweise mit einer nur einseitigen Führung beim
Einführen
eine ausreichend hohe Zentriergenauigkeit erreichbar ist. Die Größe der Zentriergenauigkeit
reicht sogar für
einen Servoantrieb aus, insbesondere bei der Verbindung des Servomotors mit
dem Servogetriebe. Gerade bei einem mit dem Servomotor zu verbindenden,
schnell laufenden Planetengetriebe ist nämlich eine hohe Genauigkeit
einzuhalten. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Welle
im Bereich F sogar als Sonne der eintreibenden ersten Getriebestufe
verwendbar. Dabei ist eine hohe Zentriergenauigkeit der Welle einzuhalten,
da die Sonne der ersten Getriebestufe, insbesondere des schnell
laufenden Servogetriebes, äußerst genau
zu zentrieren ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
sind innerhalb der Baugröße die im
Bereich F verschieden verzahnten Varianten, also zumindest die erste
Variante und die zweite Variante, jeweils in einem gleichen Aufnahmeteil
befestigbar. Von Vorteil ist dabei, dass das Aufnahmeteil als eine
Kupplung zur Verbindung mit einem Motor ausführbar ist, wobei die Kupplung
für die
verschiedenen Varianten immer gleich ausgeführt ist. Die Schnittstelle,
also Verbindung, zwischen Welle und Aufnahmeteil ist also nur derart durch
Verschneiden variiert, dass der Zapfen der Welle mit der Bohrung
im Aufnahmeteil kraftschlüssig verbindbar
ist unter Beibehaltung der erfindungsgemäßen Vorteile. Somit ist die
getriebeseitige Verzahnung, also der verzahnte Bereich F, verschieden
ausführbar
und somit sind auch verschiedene Getriebeübersetzungen vorsehbar bei
gleichem Aufnahmeteil. Der Motor wird dabei dann in derjenigen Baugröße gewählt, die
zu der Baugröße des Getriebes passt,
ohne Über-
oder Unterdimensionierungen aufzuweisen.
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Bei einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung umfasst
die Baureihe von Wellen innerhalb einer Baugröße Varianten, also zumindest
die erste Variante und die zweite Variante, die im Bereich F gleich verzahnt
sind und jeweils in verschieden großen Aufnahmeteilen, insbesondere
Motorwellen von Motoren verschiedener Baugrößen, befestigbar sind. Von
Vorteil ist dabei, dass das Getriebe direkt an Motoren einer Motoren-Baureihe,
die mehrere Baugrößen von Motoren
umfasst, anbaubar ist. Somit ist als ein direktes Anschließen, also
ein sogenannter Direktanbau, eines Getriebes an die verschiedenen
Motoren, insbesondere an die verschieden großen Motorwellen der Motoren
verschiedener Baugrößen innerhalb der
Motoren-Baureihe. Durch diesen Direktanbau wird der gesamte Antrieb,
umfassend Motor und Getriebe, kompakter und erfordert also weniger
Bauvolumen. Außerdem
ist auf diese Weise auch ein auf den ersten Blick überdimensioniert
erscheinender Motor, also ein Vertreter einer großen Baugröße der Motoren-Baureihe,
anschließbar,
der dann aber mit reduzierten Betriebswerten, also nicht dem Nennmoment
oder dem Spitzenmoment, betrieben wird. Dies bringt thermische und
steuerungstechnische Vorteile. Insbesondere kann auch bei kurzen
Taktzeiten ein großes
Moment ans Getriebe übertragen
werden. Um dieses Befestigen der Welle an verschieden großen Motorwellen
ausführen
zu können,
ist nur die Welle in verschiedenen Varianten vorzuhalten. Eine spezielle
Kupplung ist entbehrlich. Somit wird auch die Teilevielfalt reduziert
und es werden die Lagerkosten und der Verwaltungsaufwand gesenkt.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist im Bereich D ein radialer Übergang
von dem etwas größeren Außendurchmesser
des Bereiches F der Welle auf den etwas kleineren Außendurchmesser
des Bereiches C vorgesehen. Vorteilhafterweise ist somit die Kerbwirkung
und somit Versagensgefahr vermindert.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
weist die Welle eine sogenannte Spiralnut im Bereich A zur Entlüftung auf,
also eine sich am Umfang entlang schraubende Nut. Überraschend
ist dabei, dass die Festigkeit nicht leidet, obwohl die Spiralnut
im Bereich A. Die Spiralnut schneidet dabei die auslaufenden Ausnehmungen
der Verzahnung des Bereiches F, die verzahnungsdatenabhängig ebenfalls
bis in den Bereich A hineinlaufen. Da die Spiralnut darüber hinaus
einfach und kostengünstig
zu fertigen ist, ist eine Entlüftung
beim Einführen
der Welle erreicht, ohne dass die Festigkeit oder andere wesentliche
Eigenschaften verschlechtert wären.
Die Entlüftung
hat den Vorteil zur Folge, dass die Zentrierung einfacher und mit
geringeren Querkräften
ausführbar
ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist die Verzahnung im Bereich F der Welle schräg verzahnt ausgeführt mit
einem nichtverschwindenden Schrägungswinkel.
Von Vorteil ist, dass somit besonders geräuscharme Getriebe herstellbar
sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
ist der Bereich J' der
Bohrung gleichzeitig als Zentrierhilfe und Fertigungshilfe ausgeführt, insbesondere
zur Verwendung bei der Werkstückaufnahme.
Von Vorteil ist außerdem,
dass das Aufnahmeteil beim Fertigen auf Spitzen aufspannbar ist
und somit eine hohe Rundlaufgenauigkeit der Bohrung erzielbar ist.
Diese Fertigungshilfe ist dabei derart ausführbar, dass sie gleichzeitig
als Zentrierhilfe beim Einfädeln
der Welle in die Bohrung des Aufnahmeteils verwendbar ist.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung
weist das Aufnahmeteil eine Montagenut auf zum Eingreifen und Abstützen eines
Werkzeuges, mit der die Welle in das Aufnahmeteil einpressbar ist.
Von Vorteil ist, dass somit die geforderte Zentriergenauigkeit beim
Einpressen erreichbar ist.
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Bei dem Verfahren zur Fertigung einer
Wellen-Befestigung ist wesentlich, dass während des Einführens und/oder
Einpressens eine Temperatur des Aufnahmeteils, insbesondere in seinem
Inneren, und eine Temperatur der Welle, insbesondere in ihrem Inneren,
ungleich sind, insbesondere unterscheidet sich die Temperatur des
Aufnahmeteils und die Temperatur der Welle um mehr als 60 Kelvin.
Von Vorteil ist dabei, dass eine besonders feste, in Teilbereichen
des Bereiches A kraftschlüssige
Verbindung nach Temperaturausgleich und dadurch bewirkter Schrumpfung
entsteht. Überraschend
ist dabei, dass je nach Auslegung die auf diese Weise entstandene Verbindung
im Bereich A der Welle stärker
vorsehbar ist, als die formschlüssige
Verbindung im Bereich C.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nun anhand von
Abbildungen näher
erläutert:
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In der 1a ist
eine Welle 1 und ein mit einer Bohrung 3 versehenes
Aufnahmeteil 4 jeweils separat gezeigt,
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In der 1b ist
die Welle 1 und das Aufnahmeteil 4 bei Montagebeginn,
also beim Einfädeln
der Welle in das Aufnahmeteil 4 gezeigt.
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In der 1c ist
die Welle 1 und das Aufnahmeteil 4 bei Montageende,
also im eingepressten befestigten Zustand, gezeigt.
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In der 2 ist
der Anbau verschiedener Wellen der Baureihe an ein Aufnahmeteil,
beispielsweise eine Kupplung, gezeigt. Dabei sind die verschiedenen
Wellen jeweils einzeln mit 2a, 2b und 2c gekennzeichnet.
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In der 3a, 3b und 3c ist der Anbau einer mit verschiedenen
Zapfen ausgeführten Welle
an entsprechend verschiedene Aufnahmeteile, beispielsweise als Direktanbau
an verschiedene Motorwellen einer Motoren-Baureihe, gezeigt.
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In der 1a ist
ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
gezeigt. Dabei weist die Welle 1 an ihrem Aufnahmeteil-seitigen
Ende einen zylindrische Bereiche A auf, wobei der Bereich A einen
Teilbereich A1 und einen Teilbereich A2 umfasst. Der Außendurchmesser
des Bereiches A1 ist etwas kleiner als im Teilbereich A2, damit
ein Einfädeln
in die Bohrung schnell und einfach ausführbar ist. An den Bereich A
schließen
sich gerändelte
Bereich B und C an, wobei der Außendurchmesser im Bereich B
zum schnellen und einfachen Einfädeln
wiederum kleiner ist als im Bereich C. Der Außendurchmesser im Bereich B
ist aber größer als
der Außendurchmesser
im Bereich A1 und A2. Bei der Fertigung werden die Bereiche B und
C zuerst mit einem Rändel
versehen, danach gehärtet
und am Ende durch Überschleifen
auf definierte Außendurchmesser
gebracht.
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Das Verzahnen, also Fertigen der
Verzahnung, des Bereiches F umfasst die üblichen Fertigungsverfahren,
wie insbesondere Fräsen
unter Einsatz eines Fräsers
oder Schleifen mittels einer Schleifscheibe. Wenn der Fußkreisradius
der Verzahnung im Bereich F, also der jeweils tiefste Punkt der
Zahnlücken,
kleiner ist als der Außenradius,
also der jeweils größte Radius,
im Bereich D, C, B und A wird dabei auch in diesen benachbarten
Bereich C und auch in den Bereich B zumindest teilweise eingeschnitten,
weil das jeweilige Werkzeug auf einem Radius arbeitet. Die durch
die Zahnlücken
der Verzahnung des Bereiches F gebildeten Ausnehmungen erstrecken
sich somit abhängig
von den Verzahnungsdaten in ihren Fußzonen mindestens über die
Bereiche D und C. Abhängig
von den Verzahnungsdaten erstrecken sie sich auch in den Bereich
B oder sogar in den Bereich A.
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Die axiale Ausdehnung der sich erstreckenden
Zahnlücken
hängt vom
Radius der Werkzeuge und von den Dimensionierungen und Abmessungen der
Welle ab. Wenn der Fußkreisradius
der Verzahnung im Bereich F größer ist
als der Außenradius
im Bereich B und A, wird in die Bereiche A und B keine Verzahnungslücke eingeschnitten.
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Der Bereich C ist gerändelt und
es verlaufen die Zahnlücken
der Verzahnung durch den Bereich C. Der Bereich B ist ebenfalls
gerändelt
wie der Bereich C, wobei aber der Außendurchmesser reduziert ist
gegenüber
dem Außendurchmesser
im Bereich C. Der Bereich D weist keine Rändelung auf. Somit ist für den Bereich
B und C zum Erzeugen der Rändelung
ein einfaches und kostengünstiges
Werkzeug verwendbar.
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Das Aufnahmeteil 4 weist
eine Bohrung 3 auf, die mindestens zwei verschiedene Innendurchmesser
in den beiden Bereichen G' und
H' aufweist. Dabei
ist die axiale Länge
des wellenseitig angeordneten Bereiches H' abgestimmt auf die axiale Entfernung
zwischen den Bereichen A1 und B. Insbesondere gleicht die axiale
Länge von
H' der axialen Länge von
A2. Somit ist ein Einfädeln
leicht möglich
und eine Zweipunktlagerung ab Beginn des Einfädelns vorhanden, wobei die
Zweipunktlagerung eine Zentrierung beim Montieren bildet. Die axiale
Länge des Bereiches
G' ist gleich oder
größer als
die axiale Länge
des Bereiches A der Welle.
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Der Innendurchmesser der Bohrung
des Aufnahmeteils ist im Bereich G' größer oder
gleich dem Wert d. Besonders geeignet ist die Toleranz H7. Der Bereich
A1 der Welle weist einen kleineren Außendurchmesser als den Wert
d auf. Insbesondere ist die Toleranz h6 geeignet. Im Bereich A2
wird zur Erzeugung einer kraftschlüssigen Verbindung mit dem Bereich
G' der Bohrung ein
etwas größerer Außendurchmesser
als der Wert d verwendet. Somit wird beim Einpressen im Bereich
A1 Material etwas verformt und eine hoch tragfähige, reibschlüssige Verbindung
erzeugt. Allerdings ist die Differenz des Wertes des Außendurchmessers
und des Wertes des Innendurchmessers im Bereich G' zwischen 10 μm und 100 μm, vorzugsweise
30 μm.
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Die Verzahnung des Bereiches F ist
bei einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit
einer Schrägverzahnung
ausgeführt.
Daher und wegen der reib- und kraftschlüssigen Verbindung im Bereich
A1 und A2 ist ein besonders geräuscharmer Betrieb
der den Bereich F umfassenden Getriebestufe ermöglicht.
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Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
ist der Bereich F als Geradverzahnung ausgeführt zur Verwendung als Sonne
bei einer eintreibenden Planetengetriebestufe.
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In den gerändelten Bereich C wird bei
der Fertigung der Verzahnung des Bereiches F eingeschnitten. Somit
ist die Rändelung
des Bereiches C unabhängig
von den Verzahnungsdaten des Bereiches F immer gleich ausführbar. Dies
hat zum Vorteil, dass beim Einführen
der Welle 1 in die Bohrung 3 des Aufnahmeteils
immer dieselbe Rändelung
in das Aufnahmeteil eingedrückt
wird und die somit geschaffene formschlüssige Verbindung zwischen Welle 1 und Aufnahmeteil 4 immer
gleichartig ausgeführt
ist. Es besteht also keinerlei Gefahr, dass diese Verbindung infolge
ungünstiger
Verzahnungsdaten des Bereiches F geschwächt würde. Insbesondere dürfen die Zähnezahlen
des Bereiches C und des Bereiches F gleich sein, ohne dass die Position
der Zähne
am Umfang der Welle gegeneinander für die Verbindung von Bedeutung
wäre.
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Eine Spiralnut 5 ist im
Bereich A zusätzlich eingebracht
und dient zur Entlüftung
beim Einführen der
Welle 1 in die Bohrung 3 des Aufnahmeteils.
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Beim Einführen der Welle in das Aufnahmeteil
schneidet sich die harte Rändelung
des Bereiches C in die Innenwand der Bohrung im Bereich H' ein. Der Durchmesser
der Bohrung 3 im Bereich G' ist kleiner
als der Durchmesser im Bereich H'.
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Zwischen dem gerändelten Bereich C und dem mit
Verzahnung versehenen Bereich F liegt ein Bereich D, der einen Übergangsbereich
vom größeren Außendurchmesser
der Welle im Bereich F auf den kleineren Außendurchmesser im Bereich C
darstellt. Dieser Übergang
ist in einem ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel mit einem Radius
realisierbar. In einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel umfasst dieser Übergang
einen Übergangsbereich
mit einem anderen Radius und axial viel ausgedehnteren linearen Übergangsbereich
gemäß 1a, 1b und 1c.
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In jedem Fall ist die Empfindlichkeit
gegen Kerbwirkung verminderbar bei geeigneter Auslegung dieses Übergangs,
insbesondere des Radius. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind
andere Radien oder auch andere Formen beim Übergangsbereich vorteilhaft.
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In 1c ist
außerdem
gezeigt, dass bei einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel die Bohrung
3 im Aufnahmeteil derart tief ausgeführt ist, dass nach Montageende
noch ein Hohlraum vorhanden ist. Bei anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
entfällt
dieser Hohlraum.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist statt der Rändelung
auch eine andere Verzahnung verwendbar. Unter Verzahnung ist immer
zumindest auch eine Evolventenverzahnung zu verstehen.
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Der Bereich J' der Bohrung 3 ist bei einem
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
zur Zentrierung kegelig mit einem Winkel von 60° ausgeführt. Diese Zentrierhilfe erleichtert
das Einführen
der Welle in die Bohrung 3 und vermindert somit Kosten
und Aufwand. Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen sind auch
andere Winkel oder Zentrierhilfen vorteilhaft ausführbar. Gleichzeitig
ist diese Zentrierhilfe als Fertigungshilfe zum Einspannen des Aufnahmeteils
zwischen Spitzen verwendbar und somit eine vorteilige hohe Rundlaufgenauigkeit
erreichbar.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist das Aufnahmeteil von einer Kupplung oder einem Motor, insbesondere
Elektromotor, umfasst. Insbesondere ist die Rotorwelle des Motors oder
ein Wellenstück
der Kupplung als erfindungsgemäßes Aufnahmeteil
mit erfindungsgemäßer Bohrung
ausgeführt.
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Bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
ist das Welle eintreibendes Ritzel für ein Getriebe. Somit sind
Teile eingespart und mit einem äußerst geringen
Fertigungs- und Montageaufwand eine formschlüssige Verbindung geschaffen, die
mit wenigen Teilen auskommt und schnell und einfach zu montieren
ist.
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Insbesondere ist bei weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen
die Welle mit seinem Bereich F mindestens teilweise als Sonne eines
Planetengetriebes einsetzbar. Diese direkte Ankoppelung erspart
weitere Teile, wie Kupplungen oder dergleichen.
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In der 2 sind
drei Varianten von Wellen mit den jeweils zugehörigen Aufnahmeteilen gezeigt. Die
einzelnen Varianten der Wellen sind in 2a, 2b und 2c dargestellt.
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Zu allen Wellen gemäß 2a bis 2c ist immer dasselbe Aufnahmeteil verwendbar.
Bei den drei verschiedenen Varianten ist der Verzahnungsbereich F
verschieden ausgeführt.
Somit ist die Welle in ein Getriebe einsetzbar, das je nach Variante
verschiedene Übersetzungen
aufweist. Das Aufnahmeteil ist als Kupplung zur Verbindung mit einem
Motor ausführbar,
wobei die Kupplung für
die verschiedenen Varianten immer gleich ausgeführt ist. Die Schnittstelle,
also Verbindung, zwischen Welle und Aufnahmeteil ist also wellenseitig
derart durch Verschneiden variiert, dass der Zapfen der Welle mit
der Bohrung im Aufnahmeteil kraftschlüssig verbindbar ist. Somit ist
die getriebeseitige Verzahnung, also der verzahnte Bereich F, verschieden
ausführbar
und somit sind auch verschiedene Getriebeübersetzungen vorsehbar bei
gleichem Aufnahmeteil. Der Motor wird dabei dann in derjenigen Baugröße gewählt, die
zu der Baugröße des Getriebes
passt, ohne Über-
oder Unterdimensionierungen aufzuweisen. Durch die verschiedene
Ausführung
des Verzahnbereiches F bei den drei Varianten der Welle in 2 erstrecken sich die Fußzonen der
durch die Zahnlücken
der Verzahnung des Bereiches F gebildeten Ausnehmungen je nach Fußkreisdurchmesser
der Verzahnung im Bereich F bis in den Bereich A. Wenn, wie bei
der ersten Variante nach 2a,
der Fußdurchmesser
der Verzahnung im Bereich F größer ist
als im Bereich A, B, C und D erfolgt kein Verschnitt dieser Bereiche.
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Bei der zweiten Variante ist gemäß 2b ein Verschnitt der Rändelung
vorhanden, da die Fußzonen
der durch die Zahnlücken
der Verzahnung des Bereiches F gebildeten Ausnehmungen sich über den
Bereich C erstrecken.
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Bei der dritten Variante ist gemäß 2c auf das Rändel im
Bereich C verzichtet, weil die Verzahnungsdaten bei 2c derart gewählt sind, dass die Verzahnung
so groß vorgesehen
ist, dass die durch die Zahnlücken
der Verzahnung des Bereiches F gebildeten Ausnehmungen sich in ihren
Fußzonen
derart auf den Bereich C erstrecken, dass zuviel Material der Rändelung
weggenommen würde.
Daher ist das Rändel
bei solchen Verzahnungsdaten verzichtbar. Die Kraftübertragung
erfolgt somit über
die sich in den Bereich C erstreckenden Zahnlücken der Verzahnung des Bereiches
F beziehungsweise die entsprechend gebildeten Ausnehmungen.
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In der 3 ist
der sogenannte Direktanbau gezeigt.
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Dabei sind in den 3a, 3b und 3c drei Varianten gezeigt,
die zu einer Baugröße gehören und im
Bereich F gleich verzahnt sind. Sie sind jeweils in verschieden
großen
Aufnahmeteilen, insbesondere Motorwellen von Motoren verschiedener
Baugrößen, befestigbar.
Bei den Motorwellen ist die Bohrung stets der Baugröße entsprechend
groß ausgeführt, da
nur so das maximal übertragbare
Drehmoment übertragbar
ist. Von Vorteil ist bei der Baureihe, dass das Getriebe direkt
an Motoren einer Motoren-Baureihe, die gemäß 3a bis 3c drei
Baugrößen von Motoren
umfasst, anbaubar ist. Somit ist ein direktes Anschließen, also
ein sogenannter Direktanbau, eines Getriebes an die verschiedenen
Motoren, insbesondere an die verschieden großen Motorwellen der Motoren
verschiedener Baugrößen innerhalb
der Motoren-Baureihe ausführbar.
Durch diesen Direktanbau wird der gesamte Antrieb, umfassend Motor
und Getriebe, kompakter und erfordert also weniger Bauvolumen. Außerdem ist
auf diese Weise auch ein auf den ersten Blick überdimensioniert erscheinender Motor,
also ein Vertreter einer großen
Baugröße der Motoren-Baureihe,
anschließbar,
der dann aber mit reduzierten Betriebswerten, also nicht dem Nennmoment
oder dem Spitzenmoment, betrieben wird. Dies bringt thermische und
steuerungstechnische Vorteile. Insbesondere kann auch bei kurzen
Taktzeiten ein großes
Moment ans Getriebe übertragen
werden. Um dieses Befestigen der Welle an verschieden großen Motorwellen
ausführen
zu können,
ist nur die Welle in verschiedenen Varianten vorzuhalten. Eine spezielle
Kupplung ist entbehrlich. Somit wird auch die Teilevielfalt reduziert
und es werden die Lagerkosten und der Verwaltungsaufwand gesenkt.
In der 3a bis 3c sind je nach Baugröße des Aufnahmeteils,
also der Motorwelle, die Wellenbereiche A, B, C und D entsprechend
ausgeführt.
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Bei einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel
wird auf die Rändelung
im Bereich B und C ganz verzichtet, wobei dann der Fußkreisdurchmesser
der Verzahnung im Bereich F kleiner ist als der Außendurchmesser
im Bereich C. Somit übernimmt
dann die Verzahnung und deren in den Bereich C laufenden Ausnehmungen
die Funktion der Rändelung.
Dabei ist zu beachten, dass die Verzahnungsdaten geeignet und somit
das Zerspanvolumen genügend
klein zu wählen
ist, damit die Presskraft beim Einpressen der Welle in das Aufnahmeteil
erzeugbar ist.
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Unter Baureihe ist in dieser Schrift
eine Menge von Vorrichtungen zu verstehen, die in Untermengen, die
als Baugrößen bezeichnet
werden, einteilbar oder klassifizierbar ist. Das Kriterium zur Einteilung kann
geometrischer Art sein, wie beispielsweise Durchmesser einer Welle
und/oder Höhe
einer Welle über
der Bodenplatte. Es kann aber auch das Nennmoment, das maximal übertragbare
Moment, die Antriebs-, Abtriebsleistung oder eine andere Kenngröße sein.
Insbesondere sind auch Kriterien-Mischungen möglich. Statt Baureihe ist auch
das Wort Baukasten verwendbar.
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Wie aus dem Vorgenannten klar, ist
die Welle unter Materialverformung und/oder Spanbildung beim Einführen in
die Bohrung des Aufnahmeteiles verbunden. Insbesondere im Bereich
H' und auch C tritt
dieses Materialverformen und/oder Spanbilden auf.
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Bei einer Demontage wird nun die
Welle wieder aus dem Aufnahmeteil herausgenommen. Eine solche Demontage
ist beispielsweise zu Service-Zwecken bei einem Getriebemotor notwendig. Denn
der Getriebemotor weist Teile auf, die auch verschleißen können und
im Service-Fall auszutauschen sind. Der Getriebe-eintriebsseitig
Dichtheit herstellende Wellendichtring würde bei Verscheiß den Schmierstoff
des Getriebes in den Bereich des Motors oder auch in die Umgebung
vordringen lassen und Schäden
verursachen.
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Auch für andere Komponenten kann ein
Austausch oder eine Wartung sinnvoll sein.
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Zum Durchführen des Austausches des Wellendichtringes
oder anderer Komponenten, wie Lager oder dergleichen, ist die Verbindung
zwischen Getriebe und Motor zu lösen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist es aber ermöglicht, dass die Rotorwelle
des Motors als Aufnahmeteil mit Bohrung ausgeführt ist und die Welle mit einer
Verzahnung, beispielsweise Sonnenradverzahnung, versehen ist, die
mit zumindest einem Verzahnteil, beispielsweise Planeten, im Eingriff
steht. Somit ist auch ein Direktanbau des Motors an das Getriebe
ausführbar,
bei welchem die verzahnte Welle mit der Rotorwelle ohne Kupplung
oder Adapter verbunden ist.
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Wie den Figuren und der Figurenbeschreibung
zu entnehmen ist, weist die Welle und das Aufnahmeteil Abschnitte
auf, in denen Materialverformungen und/oder Spanbildungen auftreten.
Beispielsweise wird die Rändelung
des Bereiches C in die Innenwand der Bohrung H' eingedrückt.
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Wird nun im Servicefall die Welle
demontiert und dabei aus dem Aufnahmeteil herausgezogen, sind die
Oberflächen
derart verformt und gebildet, dass bei einem Wiedereinfügen der
Welle in das Aufnahmeteil kein Halt gegeben ist, insbesondere nicht in
axialer Richtung. Es kann sogar durch weitere Verformung ein Winkelspiel
entstehen.
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Wesentliches Merkmal bei der Erfindung
ist nun, dass vor diesem wiederholten Verbinden ein Übermaß wieder
erzeugt wird. Dazu wird die Welle oder das Aufnahmeteil mit einer
Beschichtung versehen. Dies kann in einem Bad erfolgen, wobei ein Übermaß im Bereich
weniger um erzeugt wird. Beispielsweise ist eine Beschichtung aus
Wolframcarbid WC oder Titancarbid verwendbar. Das mittels der Beschichtung
erzeugte Übermaß ist derart
gewählt, dass
nach dem Beschichten beim Wiedereinführen der Welle in das Aufnahmeteil
wiederum Materialverformungen und/oder Spanbildungen statt finden
und somit wiederum in ähnlich
starker Weise ein Halt erzeugt wird wie beim ersten Einführen.
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Die Welle ist also mit dem selben Übermaß einpressbar
ist wie vorher.
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Vorteilig ist bei der Erfindung,
dass die kostspielig herzustellende Rotorwelle wiederholt verwendet
werden kann und nicht neu hergestellt werden muss. Außerdem kann
auch die Welle wiederverwendet werden. Darüber hinaus können die
Rotorwelle und die Welle dieselben Sachnummern in der Teileverwaltung
behalten, wodurch die Teilevielfalt reduzierbar ist.
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Statt des Bades sind auch andere
Beschichtungsmethoden vorteiligerweise einsetzbar, wenn beim Beschichten
das erwähnte Übermaß erzeugbar ist.
Insbesondere sind PVD-Beschichtungen
vorteilhaft verwendbar, da sie eine gleichmäßige Schichtdicke auch bei
veränderlichen
Krümmungsradien
an der Oberfläche
des zu beschichtenden Teils erzeugen.
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Wesentliches weiteres Merkmal der
Erfindung ist also, dass die Welle und/oder zumindest die Bohrung
des Aufnahmeteils bei der Zweitverwendung, also nicht bei der Erstverwendung,
ein Übermaß mittels
Beschichtung erhalten. Bei der Erstverwendung, also dem erstmaligen
Zusammenfügen der
Welle und des Aufnahmeteils ist eine Beschichtung nicht notwendig
oder je nach Beschichtungsmaterial sogar kontraproduktiv.
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- 1
- Welle
- 2
- Spiralnut
- 3
- Bohrung
- 4
- Aufnahmeteil
- 5
- Montagenut